WO2012004016A1 - Strahlenaufweitung und verschiedenartige kollimatoren für holografische bzw. stereoskopische displays - Google Patents

Strahlenaufweitung und verschiedenartige kollimatoren für holografische bzw. stereoskopische displays Download PDF

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Definitions

  • Magnification unit and a light modulator Two-dimensional and / or three-dimensional image information can be displayed with the holographic display.
  • a large-area light modulator e.g. used with a diagonal of 24 ", one must provide a large enough coherent illumination of the light modulator,
  • the optical path length difference of the light beams of the enlarged light wave field between two predetermined points on the light modulator should not exceed a predetermined value on the Kodier sculpture the light modulator at a given coherence length of the light. That is, in the region of a given partial area of the light modulator, which is e.g. may correspond to a sub-hologram, the optical path length difference between any two light rays which penetrate this partial surface may only be so great that these light rays are still capable of interfering.
  • WO 2006/066919 A1 for the definition of a sub-hologram, reference is made to WO 2006/066919 A1.
  • the magnification unit can have a further volume hologram arranged downstream of the light propagation direction, the volume holograms of the magnification unit being arranged and configured in such a way that the light can be deflected in two different directions, the light modulator being arranged in the direction of light propagation before or after the further volume hologram.
  • the light volume field collimated by the collimation unit is widened or enlarged in a first direction with the first volume hologram.
  • the further volume hologram arranged downstream of the first volume hologram the light wave field enlarged by the first volume hologram in the first direction is then widened or enlarged in a second direction.
  • the stripe-shaped illumination regions generated by combinations of switchable diffraction gratings can, however, also directly illuminate and be enlarged by the entrance of a magnification unit on the basis of volume gratings.
  • the advantage here is in particular that no light-absorbing shutter is needed.
  • Such a grid combination may e.g. consist of a first diffraction grating whose deflection angle is controllable via the lattice constant, whereby a perpendicular to the surface incident light beam leaves the diffraction grating at an angle, and a second controllable diffraction grating which deflects this light beam again substantially perpendicular to the grating surface and aligns. The amount of lateral displacement of the light beam is then given by the deflection angle and the distance of the two diffraction gratings.
  • PDLC volume gratings or polarizing gratings can also be used in combination with switchable retardation plates for light deflection.
  • the switchable delay plates are used for active switching of the polarization state of the light beams.
  • a set of polarization-switchable polarization gratings may also be used, in which the gratings in the plus first and in the minus first order of diffraction have the same intensities.
  • the diffraction gratings which are arranged between the primary collimating lens of the light source and the first microlens field of the collimation unit, are designed such that off-axis beam paths can also be realized, for example to eliminate the 0th diffraction order of the gratings, if only from the first or higher diffraction orders in the further course of the beam path should be made use of.
  • the diffraction gratings which are arranged between the primary collimating lens of the light source and the first microlens field of the collimation unit, can also be designed in such a way that illumination of particular regions of the first microlens field of the collimation unit can be realized in a horizontal and / or vertical direction. In this way, it is then also possible to realize a lighting of a following light modulator oriented in two different directions or two-dimensionally scanning.
  • a particular problem arises when the first microlens field of the collimation unit is illuminated not by a single light source in combination with a large-area collimating lens but by multiple light sources in combination with a collimating lens field. The problem is the broadening of the plane wave spectrum of the illumination caused by the diffraction at the edges of the lenses and requires additional measures for its elimination.
  • the lenses first microlens array of collimation to be illuminated, for example with sliced plane waves whose plane wave spectrum has an angular deviation of approximately 1/20 0 ° and in the direction orthogonal thereto of about 1 0 ° in one direction.
  • planwave spectrum may be required, for example, in a holographic display that uses one-dimensional horizontal or vertical holographic coding.
  • a solution is then, for example, in an additional angular filtering of the wave field, wherein to avoid the broadening of the plane wave spectrum by diffraction at the lens edges of Kollimationslinsenfeldes this is followed in the light direction, a combination of two volume gratings for angle filtering.
  • a lighting device for a direct view display which has a plan wave spectrum restricted to ⁇ 1/20 0 deg. At least in one direction, can also be produced with a multiplicity of light sources and a collimating lens field.
  • a second, rotated by 90 0 deg compared to the first twisted combination of volume gratings of the first can be arranged.
  • the illumination devices for transmissive light modulators can generally also be modified for the illumination of reflective light modulators (FLU: front light unit).
  • a lighting device with a large volume grille as magnification unit by a retardation plate in particular a ⁇ / 4 plate
  • a retardation plate in particular a ⁇ / 4 plate
  • a ⁇ / 4 plate is added, which is arranged downstream of the planar volume grid in the light direction. If on this ⁇ / 4-plate e.g. In the horizontal direction linearly polarized light falls, it leaves the plate with a circular polarization.
  • a subsequently arranged reflective light modulator then reflects the modulated circularly polarized light back toward the ⁇ / 4 plate and after passing through it is vertically polarized.
  • This vertically polarized light can now pass through the volume grating unhindered without interfering with the originally horizontally polarized light and can be perceived by a viewer in the light direction in front of the volume grating.
  • SLM light modulator
  • Collimation unit comprising a double row of collimating refractive lenses.
  • Collimation unit comprising a double row of collimating refractive lenses. Left: side view. Right: Front view showing only two lines of the collimation unit. 11 shows another embodiment of a scanning lighting device with an in
  • the widening of the lightwave field takes place anamorphotically, i. the magnification is different in the two different directions.
  • the divergent light emanating from the fiber end of the optical waveguide OF is collimated with the collimation unit, i. formed into a plane wave, which is synonymous with the fact that the light beams are aligned in parallel by the collimation.
  • the collimation unit comprises a primary collimation lens (pCL).
  • the first micro lens array fML (first micro lens) of the collimation unit (LCU, light collimation unit) focuses the collimated light incident on this microlens field fML into the focal plane of the individual microlenses and thus generates a field of secondary light sources (sLS).
  • LCU light collimation unit
  • FIG. 4 shows how the wave field of a segmented, collimated wavefront is widened or enlarged successively in two directions by means of two transmissive volume gratings VH1, VH2 arranged behind the collimation unit LCU according to FIG.
  • This principle of double beam expansion can not only be used to be able to use a very compact collimating unit LCU in the display, but also to be able to use a light modulator SLM small area, which can also be operated in reflection.
  • Light modulators with a small active area are considerably cheaper than those with a large active area.
  • the line segments of the strip-shaped shutter can be horizontal to create vertical stripes or vertical to produce horizontal stripes.
  • FIG. 14 shows a passive light exit point at the end of a light-conducting multimode fiber for illuminating prescribable lenses of a primary collimating lens array arranged in front of the first microlens field of the collimation unit.
  • the lens L is located, for example, in front of the first microlens array fMLA of FIG. 13. Using this arrangement, the length of the collimating unit shown in FIG. 13 can be considerably shortened.
  • the first grating from FIG. 15, however, can also be designed, for example, as a switchable PDLC grid stack, wherein the second grating from FIG. 15, which is located in front of the first microlens field of the collimation unit, is designed as a volume grating having the required deflection geometries. which are designed such that the incident with increasing distance from the optical axis of the arrangement at an increasingly greater angle to the grating light is diffracted in a direction parallel to the optical axis.
  • the diffraction geometry can also be exclusively spatially multiplexed. That The second grating from FIG.
  • m1 and m-1 designate the first or the symmetrically resulting minus first diffraction order of the first controllable diffraction grating G1 in the direction of light Diffraction gratings G2 are present as stripe-shaped illumination regions t (x, y, RGB) for the three colors RGB as shown in FIG. 11 and subsequently enlarged.
  • the light rays emerging from the fiber matrix are collimated by a primary lens array.
  • the output coupling of the fiber matrix are so adjusted in their lateral extent to the collimating lenses of the lens array that after passing through the lenses, for example, in a direction of a plane wave spectrum of 1/20 0 ° and in the orthogonal direction a plane wave spectrum of approximately 1 0 deg present.
  • the secondary light sources of the fiber matrix are consequently rod-shaped.
  • “Wide” means that the volume grating bends plane waves over a larger angular range
  • Reconstruction geometry of the first volume grating VG1, for example, 0 ° deg / -45 0 deg is an angle spectrum of the plane waves, for example, + - 4 0 deg in an angle corresponding to an angle of total reflection, diffracted.
  • FLU front light unit
  • Variant D oaPM: off axis parabolic mirror

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein holografisches Display mit einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Vergrößerungseinheit (VE) und einem Lichtmodulator (SLM), wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine Lichtquelle und eine Kollimationseinheit (LCU) aufweist, wobei die Kollimationseinheit (LCU) so ausgebildet ist, dass sie das Licht der mindestens einen Lichtquelle kollimiert und ein Lichtwellenfeld des Lichts der Lichtquelle mit einem vorgebbaren Planwellenspektrum erzeugt, wobei die Vergrößerungseinheit (VE) in Lichtausbreitungsrichtung der Kollimationseinheit (LCU) nachgeordnet ist, wobei die Vergrößerungseinheit (VE) ein transmissives Volumenhologramm (VH) aufweist, welches derart angeordnet und ausgebildet ist, dass aufgrund einer transmissiven Wechselwirkung des Lichtwellenfeldes mit dem Volumenhologramm (VH) eine anamorphotische Aufweitung des Lichtwellenfeldes realisierbar ist, und wobei der Lichtmodulator (SLM) in Lichtausbreitungsrichtung entweder vor oder hinter der anamorphotischen Vergrößerungseinheit (VE) angeordnet ist.

Description

STRAHLENAUFWEITUNG UND VERSCHIEDENARTIGE KOLLIMATOREN FÜR HOLOGRAFISCHE BZW. STEREOSKOPISCHE DISPLAYS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein holografisches Display mit einer Beleuchtungsvorrichtung, einer
Vergrößerungseinheit und einem Lichtmodulator. Mit dem holografischen Display können zweidimensionale und/oder dreidimensionale Bildinformationen dargestellt werden.
Bei der Realisierung holografischer Displays mit großer Bilddiagonale ergeben sich zwei Probleme:
wenn man zur Kodierung des Hologramms einen großflächigen Lichtmodulator z.B. mit einer Diagonale von 24" verwendet, muss man für eine großflächige genügend kohärente Beleuchtung des Lichtmodulators sorgen,
verwendet man dagegen einen kleineren Lichtmodulator in einer Projektionsanordnung, ergibt sich bei der gleichen Bilddiagonale von 24" eine Bautiefe größer als 1 m, wenn man herkömmliche optische Mittel, wie Linsen oder Spiegel verwendet. Das erste Problem sollte mit einer großflächigen und möglichst flachen Beleuchtungsvorrichtung gelöst werden. Das zweite Problem ist nur dann lösbar, wenn man zur Vergrößerung der Beleuchtungsvorrichtung und/oder des Lichtmodulators andere als herkömmliche optische Mittel verwendet. Ein holografisches Projektionsdisplay ist z.B. in der Druckschrift WO 2006/1 19760 A2 beschrieben. Hier wird ein Lichtmodulator mit kleiner Oberfläche und hoher Auflösung, in den ein Videohologramm kodiert ist, mit Hilfe einer Anordnung aus Linsen und Spiegeln auf eine als Bildschirm dienende Linse bzw. einen Hohlspiegel vergrößert abgebildet und in einem Raum rekonstruiert, der durch den Bildschirm und ein in der Fourier-Ebene des Bildschirms befindliches Betrachterfenster aufgespannt wird. Der Vorteil besteht darin, dass durch die vergrößerte Abbildung des Hologramms auf den Bildschirm auch der Rekonstruktionsraum vergrößert wird, so dass erheblich größere Objekte als bei herkömmlichen holografischen Anordnungen rekonstruiert werden können. Nachteilig ist jedoch, dass die optische Anordnung sehr voluminös und insbesondere in axialer Richtung langgestreckt ist, so dass eine Verwendung als holografisches Desktop-Display aufgrund der großen Bautiefe schwierig zu realisieren ist.
Bei dem in der Druckschrift US 2007/252956 A beschriebenen Projektionsdisplay wird ein kleiner Lichtmodulator mit einer relativ kleinen Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet und mit Hilfe eines außeraxial angeordneten holografischen Spiegelelementes vergrößert auf einen Bildschirm projiziert. Ein Vorteil der Anordnung besteht darin, dass durch die schiefe Strahlenführung die axiale Ausdehnung des Gesamtsystems verkürzt ist. Allerdings ist die Anordnung zur Realisierung eines holografischen Desktop- Displays immer noch zu voluminös.
In dem Dokument WO 2002/082168 A wird ein flaches Projektionsdisplay dargestellt, das aus einer Kombination eines linearen und flächenhaften Gitters zur Lichtablenkung besteht. Das virtuelle Bild eines Videoprojektors wird durch einen stabförmigen Gitterkörper in einer Richtung geleitet und anschließend durch einen plattenförmigen Gitterkörper in einer zweiten, senkrecht daraufstehenden Richtung geführt. In einer Ausführungsform bestehen die Gitter aus Glasstreifen, die unter einem Winkel von 45° zur Oberfläche des Displays schichtartig zusammengefügt sind und das Licht jeweils senkrecht zur Einfallsrichtung ablenken. Allerdings wird das Bild des Lichtmodulators dadurch eher vervielfacht als vergrößert, und ein Betrachter, der in Normalenrichtung auf die Oberfläche des plattenförmigen Gitterkörpers blickt, sieht eine zweidimensionale Anordnung ein- und desselben Modulatorbildes. Ein holografisches Projektionsdisplay, bei dem die Kodierfläche des Lichtmodulators vergrößert wird, ist mittels einer solchen Anordnung allerdings nicht realisierbar.
Im Dokument WO 2002/31405 A wird ein kollimiertes Lichtstrahlenbündel mit rechteckigem Querschnitt, das z.B. von einem Lichtmodulator ausgeht, in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen dadurch aufgeweitet, dass es unter einem flachen Winkel nacheinander auf eine ein- und zweidimensionale nicht spiegelartig reflektierende Oberfläche fällt. Die zweidimensionale Aufweitung erfolgt dabei durch den flachen,„streifenden" Lichteinfall, und die Oberflächen sind so beschaffen, dass sie die Lichtstrahlen in die gewünschte Richtung, in diesem Fall senkrecht zur Einfallsrichtung, reflektieren. Das wird durch flächenhafte Beugungsgitter oder holografische Oberflächengitter erreicht. Bei dieser Anordnung wird der Querschnitt des einfallenden Lichtwellenfeldes zwar echt vergrößert, es fehlen aber Aussagen zur amplituden- und phasenmäßigen Veränderungen der Lichtstrahlenbündel bei der Reflexion an den Beugungsgittern, die für eine holografische Rekonstruktion von dreidimensionalen Szenen erforderlich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein holografisches Display mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit möglichst großer Fläche bei geringer Bautiefe zu realisieren, die zudem mit einer minimalen Anzahl von primären Lichtquellen auskommt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen möglichst kleinen Lichtmodulator mit einer holografischen Kodierung genügend zu vergrößern, ohne dabei die Bautiefe der Anordnung wesentlich zu erhöhen. In beiden Fällen sollen zudem das Planwellenspektrum der Beleuchtungsvorrichtung und seine Kohärenzeigenschaften den Anforderungen einer holografischen bzw. gemischt holografischen und stereoskopischen Objektdarstellung genügen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Das erfindungsgemäße holografische Display umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Vergrößerungseinheit und einen Lichtmodulator. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst mindestens eine Lichtquelle und eine Kollimationseinheit. Die Kollimationseinheit ist so ausgebildet, dass sie das Licht der mindestens einen Lichtquelle kollimiert und ein Lichtwellenfeld des Lichts der Lichtquelle mit einem vorgebbaren Planwellenspektrum erzeugt. Die Vergrößerungseinheit ist in Lichtausbreitungsrichtung der Kollimationseinheit nachgeordnet. Die Vergrößerungseinheit weist ein transmissives Volumenhologramm auf, welches derart angeordnet und ausgebildet ist, dass aufgrund einer transmissiven Wechselwirkung des Lichtwellenfeldes mit dem Volumenhologramm (VH) eine anamorphotische Aufweitung des Lichtwellenfeldes realisierbar ist. Hierbei können in vorteilhafter Weise die Kollimationseinheit und die Vergrößerungseinheit - für sich gesehen - in einem holografischen oder stereoskopischen oder autostereoskopischen Display zum Einsatz kommen. Dementsprechend können die Kollimationseinheit und die Vergrößerungseinheit - sozusagen als Kollimations- und Vergrößerungsmodul - in erfindungsgemäßer Weise ein aufgeweitetes kollimiertes Lichtwellenfeld für ein solches Display bereitstellen. Unter einer anamorphotischen Aufweitung im Sinn der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Strahlaufweitung bzw. Vergrößerung eines einfallenden Lichtstrahls bzw. Lichtwellenfelds ohne das Vorsehen einer optischen Zwischenabbildung zu verstehen.
Der Lichtmodulator zur Kodierung der Hologrammdaten kann dabei in Lichtausbreitungsrichtung entweder vor oder hinter der anamorphotischen Vergrößerungseinheit angeordnet sein. Das Lichtwellenfeld kann dabei von der Kollimationseinheit in einem vorgebbaren Einfallswinkel auf das Volumenhologramm auftreffen, welcher den Wert von 70 Grad (70 0 deg) nicht unterschreiten sollte. Der Einfallswinkel ist hierbei bezogen auf das Lot zur Oberfläche des Volumenhologramms und berücksichtigt einen möglichen Brechungsindexunterschied der optischen Medien vor bzw. nach dem Volumenhologramm.
Die Dicke des Volumenhologramms ist so gewählt, dass das Lichtwellenfeld eine Winkelverteilung von Wellenvektoren aufweist und dass die maximal auftretende Abweichung der Winkelverteilung der Wellenvektoren des Lichtwellenfeldes in mindestens einer Richtung einen Wert von 1/20 Grad nicht überschreitet. Der Wellenvektor gibt dabei die Ausbreitungsrichtung der Wellen des Lichtwellenfeldes an.
Der optische Weglängenunterschied der Lichtstrahlen des vergrößerten Lichtwellenfeldes zwischen zwei vorgegebenen Punkten am Lichtmodulator soll auf der Kodierfläche des Lichtmodulators bei einer vorgegebenen Kohärenzlänge des Lichts einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten. Das heißt, dass im Bereich einer vorgegebenen Teilfläche des Lichtmodulators, die z.B. einem Subhologramm entsprechen kann, der optische Weglängenunterschied zwischen zwei beliebigen Lichtstrahlen, die diese Teilfläche durchdringen, nur so groß sein darf, dass diese Lichtstrahlen noch interferenzfähig sind. Zur Definition eines Subhologramms wird auf die WO 2006/066919 A1 verwiesen. Insoweit wird hierdurch sichergestellt, dass es bei einer derart vorgegebenen Kohärenzlänge des verwendeten Lichts noch zu konstruktiven bzw. destruktiven Interferenzen bei einem auf der WO 2006/066919 A1 basierenden Display kommen kann, so dass mit dem Display dreidimensionale Szenen einem Betrachter holografisch dargestellt werden können.
Die Vergrößerungseinheit kann dabei ein weiteres in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordnetes Volumenhologramm aufweisen, wobei die Volumenhologramme der Vergrößerungseinheit derart angeordnet und ausgebildet sind, dass das Licht in zwei unterschiedliche Richtungen ablenkbar ist, wobei der Lichtmodulator in Lichtausbreitungsrichtung vor oder nach dem weiteren Volumenhologramm angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird also mit dem ersten Volumenhologramm das von der Kollimationseinheit kollimierte Lichtwellenfeld in einer ersten Richtung aufgeweitet bzw. vergrößert. Mit dem dem ersten Volumenhologramm nachgeordneten weiteren bzw. zweiten Volumenhologramm wird dann das von dem ersten Volumenhologramm in der ersten Richtung vergrößerte Lichtwellenfeld in einer zweiten Richtung aufgeweitet bzw. vergrößert. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise mit beispielsweise lediglich einer primären Lichtquelle ein großflächiges Feld bzw. ein großer Bereich im Wesentlichen homogen beleuchtet werden, wobei die Vergrößerungseinheit in vorteilhafter Weise einen relativ geringen Bauraum einnimmt. Die beiden Volumenhologramme können dabei so angeordnet sein, dass sie das Lichtwellenfeld mit vorgegebenem Planwellenspektrum in zwei im Wesentlichen zueinander senkrechten Richtungen anamorphotisch, d.h. mit einem unterschiedlichen Vergrößerungsmaßstab in jeder Richtung, aufweiten.
Bei den Volumenhologrammen handelt es sich dabei bevorzugt um off-axis Volumenhologramme, bei denen Objekt- und Referenzstrahl nicht auf der gleichen Achse liegen.
Als Lichtquelle könnte ein Laser, eine Laserdiode, eine LED oder eine OLED dienen.
Die Strahlung bzw. das Licht mehrerer Lichtquellen kann durch eine Strahlvereinigungseinheit in einer gemeinsamen lichtleitenden Faser zusammengeführt werden. Falls lediglich eine einzige Lichtquelle vorgesehen ist, kann deren Licht mit einer lichtleitenden Faser der Kollimationseinheit zugeleitet werden.
Dem Lichtaustritt der lichtleitenden Faser kann eine primäre Kollimationslinse nachgeordnet sein, mit welcher ein kollimiertes Lichtwellenfeld erzeugt werden kann. Dieses kollimierte Lichtwellenfeld kann beispielsweise der Beleuchtung eines stereoskopische und Displays dienen.
Weiterhin kann der primären Kollimationslinse in Lichtausbreitungsrichtung ein Winkelfilter in Form eines Volumenhologramms nachgeordnet sein, dessen Dicke so gewählt ist, dass das Lichtwellenfeld eine Winkelverteilung von Wellenvektoren aufweist und dass die maximal auftretende Abweichung der Winkelverteilung der Wellenvektoren des Lichtwellenfeldes in mindestens einer Richtung einen vorgebbaren Wert nicht überschreitet, beispielsweise 1/20 Grad. Dadurch ist es möglich, die Begrenzung des Planwellenspektrums in mindestens einer Richtung auf einen vorgebbaren Winkelbereich schon in der Kollimationseinheit vorzunehmen und die Dicke der der Kollimationseinheit nachgeordneten Volumenhologramme ausschließlich unter dem Gesichtspunkt der Strahlaufweitung bzw. Strahllenkung zu bestimmen.
Das kollimierte Lichtwellenfeld kann ein erstes Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit beleuchten.
In der Brennebene des ersten Mikrolinsenfeldes kann eine Streuvorrichtung angeordnet sein, von der das Licht auf ein unmittelbar danach angeordnetes erstes Blendenfeld gelangt, wobei die Blendenöffnungen des ersten Blendenfeldes in ihrer lateralen Ausdehnung asymmetrisch ausgebildet sein können, um bezüglich der jeweiligen lateralen Ausdehnung ein Planwellenspektrum des Lichtwellenfeldes mit vorgebbaren Kohärenzeigenschaften zu erzeugen. Dies ist besonders wichtig bei einer gemischt holografischen und stereoskopischen Kodierung des Displays, bei der das Lichtwellenfeld in Richtung der holografischen Kodierung hinreichend kohärent sein muss, dagegen in Richtung der stereoskopischen Kodierung jedoch eine genügende Inkohärenz aufweisen muss. Dabei sind die Blendenöffnungen des ersten Blendenfeldes der Kollimationseinheit so dimensioniert, dass sich die Kohärenzeigenschaften des Lichtwellenfeldes in zwei unterschiedlichen Richtungen so unterscheiden, dass die Strahlung in der einen Richtung im Wesentlichen inkohärent und in der anderen Richtung hinreichend kohärent ist. Dabei gilt, dass der Kohärenzgrad der Strahlung umso größer ist, je kleiner die Blendenöffnung in dieser Richtung ist.
Bevorzugt ist hinter dem ersten Blendenfeld in Lichtausbreitungsrichtung ein zweites Mikrolinsenfeld so angeordnet, dass sich die Blendenöffnungen des ersten Blendenfeldes jeweils in den hinteren Brennpunkten der zugeordneten Mikrolinsen befinden. Das zweite Mikrolinsenfeld erzeugt somit ein segmentiertes Lichtwellenfeld mit einem Planwellenspektrum, mit dem ein nachfolgender Lichtmodulator mit einer holografischen Kodierung entweder direkt oder nach lateraler Vergrößerung des Lichtwellenfeldes beleuchtet werden kann.
Zwischen dem ersten Blendenfeld und dem zweiten Mikrolinsenfeld sind bevorzugt zwei weitere Blendenfelder angeordnet, die verhindern sollen, dass das Licht einer sekundären Lichtquelle aus dem ersten Blendenfeld zu einer anderen Mikrolinse als die ihr zugeordnete gelangt (Illumination crosstalk).
Der Lichtmodulator kann transmissiv, reflektiv oder transflektiv ausgebildet sein. Die Beleuchtungsvorrichtung ist dabei derart ausgebildet und dimensioniert, dass mit ihr die aktive Fläche des Lichtmodulators im Wesentlichen homogen beleuchtet wird.
Bei der Beugung der Lichtwellen an den Volumenhologrammen erfolgt allerdings eine Änderung des Spektrums des Lichtwellenfeldes, so dass beispielsweise die Änderung des Planwellenspektrums der Kollimationseinheit durch die Beugung an den Volumenhologrammen bei der Auswahl der Parameter der Kollimationseinheit berücksichtigt werden muss. So führt z.B. die anamorphotische Aufweitung um einen Faktor 10 im Mittel zu einer Reduzierung des Planwellenspektrums um den gleichen Faktor in dieser Richtung. Es kann daher erforderlich sein, dass zum Erzeugen eines vorgebbaren Planwellenspektrums des Lichtwellenfeldes nach dem mindestens einen Volumenhologramm mindestens ein Parameter der Kollimationseinheit veränderbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine geregelte, gesteuerte oder manuelle Einstellung eines entsprechenden optischen Bauteils der Kollimationseinheit oder durch die geeignete Konzeption der Kollimationseinheit für eine spezielle Anwendung erzielt werden.
Gleichzeitig ist es aber auch möglich, dass die Winkelfilterwirkung des mindestens einen Volumenhologramms zur Unterdrückung störender Strahlungsanteile bzw. Beugungsordnungen für einen Betrachter des Displays verwendet wird. Dies ist insbesondere für ein holografisches Display, wie in der WO 2006/066919 A1 beschrieben, hilfreich, da dort höhere bzw. ungewünschte Beugungsordnungen unterdrückt oder ausgeblendet werden müssen.
Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, dass eines der Volumenhologramme so eingerichtet ist, dass es neben der Aufweitungsfunktion auch die Funktion einer Feldlinse aufweist. Mit einer solchen Feldlinsenfunktion kann die Abbildung einer reellen oder virtuellen Lichtquelle in eine Bildebene der Lichtquelle bei einem in der WO 2006/066919 A1 beschriebenen holografischen Display erzielt werden.
In ganz besonders vorteilhafter Weise wird die vorliegende Erfindung auf ein holografisches Display angewandt, welches in der WO 2006/066919 A1 oder der WO 2004/044659 A2 beschrieben ist. Hierdurch kann eine flache bzw. raumsparende Bauform des holografischen Displays erzielt werden.
Bei sehr hohen Bildwiederholraten von beispielsweise > 240 fps (engl.: frame rates, fps: frames per second) ist es vorteilhaft, die Beleuchtungsvorrichtung derart auszuführen, dass einzelne Flächensegmente unabhängig voneinander anzuschalten und zeitlich zu modulieren sind, so dass z.B. nur die Bereiche des Lichtmodulators beleuchtet werden, welche den vorgesehenen Einstellwert/Sollwert erreicht haben (z.B.: Plateau der Phase beim Schaltvorbang eines Flüssigkristall-Phasenmodulators). Diese Betriebsweise wird auch als Scanning bezeichnet. Dazu ist es zweckmäßig, die Beleuchtungsvorrichtung des holografischen Displays derart zu modifizieren, daß in Lichtausbreitungsrichtung vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit ein Shutter angeordnet ist, in welchem mehrere in vertikaler oder horizontaler Richtung verlaufende streifenförmige Segmente aktivierbar sind, d.h., dass auf einem nachfolgend angeordneten Lichtmodulator streifenförmige Bereiche wahlweise ausgeleuchtet werden können.
Eine Realisierungsvariante einer scannenden Beleuchtung des Lichtmodulators besteht dann beispielsweise darin, dass jeweils zwei in der Ebene des Lichtmodulators vertikal verlaufende Streifensegmente des Beleuchtungslichts aufgeschaltet sind, die zeitsequentiell in horizontaler oder vertikaler Richtung zwischen dem Rand des Lichtmodulators und der Mitte desselben bewegbar sind.
Die Verwendung von Shuttern zur Lichtsteuerung hat aber den Nachteil, dass sie mit einem Verlust von Lichtleistung verbunden ist, da zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur ein kleiner Teil der Shutterelemente aufgeschaltet, d.h. lichtdurchlässig ist. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung großflächiger scannender Beleuchtungsvorrichtungen besteht darin, das von einer miniaturisierten flächenhaften Kollimationseinheit ausgehende segmentierte Planwellenfeld nicht durch eine Kombination von zwei Volumengittern in zwei orthogonalen Richtungen zu vergrößern, sondern nur das flächenhaft vergrößernde zweite Volumengitter zu verwenden und es durch eine Kollimationseinheit mit einer zellenförmigen Struktur zu beleuchten, wobei eine Zeile mindestens zwei unabhängig voneinander schaltbare Lichtquellen und am Ausgang mindestens zwei kollimierende refraktive Linsen aufweist, und wobei diese Zeilen entlang einer Kante der nachfolgenden flächenhaften Vergrößerungseinheit so nebeneinander angeordnet sind, dass sie die gesamte Fläche derselben ausleuchten. Das Volumengitter beugt dann die unter einem flachen Winkel einfallenden Lichtstrahlen so, dass sie das Volumengitter im wesentlichen senkrecht zu seiner Oberfläche verlassen.
Die durch den Ausgang der zellenförmigen Kollimationseinheit gebildete Beleuchtungsfläche kann aber auch die Eingangsfläche einer keilförmigen Lichtleiteinrichtung aus einem lichtbrechenden Material wie z.B. Glas ausleuchten, an deren im wesentlichen senkrecht zur Eingangsfläche stehender Ausgangsfläche sich das flächenhafteVolumengitter anschließt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass anstelle der keilförmigen Lichtleiteinrichtung aus einem lichtbrechenden Material kein optisches Medium oder Luft vorgesehen ist und dass das Beleuchtungslicht von der zellenförmigen Kollimationseinheit unmittelbar auf das flächenhafte Volumengitter bzw. ein das flächenhafte Volumengitter tragendes Material
auftrifft. Durch diese Anordnung wird das von der Kollimationseinheit ausgehende segmentierte Planwellenfeld vergrößert und auf die Fläche eines nachfolgenden Lichtmodulators gerichtet.
Entsprechend der Anzahl der nebeneinander angeordneten Zeilen der Kollimationseinheit und der Anzahl der in jeder Zeile unabhängig voneinander schaltbaren Lichtquellen weist die dadurch gebildete Beleuchtungsvorrichtung eine Matrix von unabhängig schaltbaren Beleuchtungssegmenten auf.
Diese Lösung ist allerdings sehr unökonomisch, wenn jedes Segment der so ausgebildeten Beleuchtungsvorrichtung durch eine eigene Lichtquelle ausgeleuchtet und geschaltet wird, wie es z.B. in der Druckschrift WO 2004/109380 beschrieben ist.
Um die zur Verfügung stehende Lichtleistung besser zu nutzen und darüber hinaus mit einer minimalen Anzahl primärer Lichtquellen auszukommen, ist es sinnvoll, das Licht einiger weniger Lichtquellen z.B. über eine Kaskade von sich verzweigenden Lichtleitern bzw. -Schaltern zu verteilen und zu steuern. Ein aktiver optischer Schalter kann z.B. durch Anlegen einer Spannung das Licht von einer lichtleitenden Faser in eine andere umleiten. Schaltet man mehrere solche Verzweigungen beispielsweise in einer Baumstruktur hintereinander, so kann eine einzige primäre Lichtquelle bei einer Anzahl von N Kaskaden 2 hoch N schaltbare sekundäre Lichtquellen erzeugen. Eine diesbezügliche Realisierungsvariante kann deshalb darin bestehen, dass ausgewählte Linsen eines vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes durch eine solche Kaskade schaltbarer faseroptischer Lichtleiter beleuchtet werden.
Eine weitere Variante zum Ausleuchten ausgewählter Linsen eines vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes kann darin bestehen, dass passive Licht-Austrittsstellen am Ende von lichtleitenden Multimode-Fasern vorgesehen sind, die entsprechend ihrer Anordnung eine oder mehrere primäre Kollimationslinsen beleuchten.
Bei dieser Variante handelt es sich allerdings um eine Aufteilung des Lichts von einer primären Lichtquelle auf mehrere sekundäre Lichtquellen, ohne dass die Möglichkeit einer aktiven Steuerung der einzelnen sekundären Lichtquellen besteht. Neben faseroptischen Lichtleitern und Schaltern können aber auch lichtablenkende Elemente, wie z.B. Flüssigkristallgitter verwendet werden, um ausgewählte Segmente des ersten Mikrolinsenfeldes der Kollimationseinheit durch eine Kombination von zwei schaltbaren Beugungsgittern auf LC-Basis auszuleuchten, die zwischen einer der Lichtquelle nachgeordneten primären Kollimationslinse und dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordnet sind, wobei die Intensität der beispielsweise streifenförmigen Segmente auch lokal variierbar ist.
Die durch Kombinationen von schaltbaren Beugungsgittern erzeugten streifenförmigen Beleuchtungsbereiche können aber auch direkt den Eingang einer Vergrößerungseinheit auf der Basis von Volumengittern beleuchten und durch diese vergrößert werden. Der Vorteil besteht dabei insbesondere darin, dass kein lichtabsorbierender Shutter benötigt wird.
Eine solche Gitterkombination kann z.B. aus einem ersten Beugungsgitter bestehen, dessen Ablenkwinkel über die Gitterkonstante steuerbar ist, wodurch ein senkrecht zur Oberfläche auftreffender Lichtstrahl das Beugungsgitter unter einem Winkel verlässt, und einem zweiten steuerbaren Beugungsgitter, das diesen Lichtstrahl wieder im wesentlichen senkrecht zur Gitteroberfläche ablenkt und ausrichtet. Der Betrag der lateralen Verschiebung des Lichtstrahls ist dann durch den Ablenkwinkel und den Abstand der beiden Beugungsgitter gegeben. Da die Scanning-Schritte im allgemeinen diskret sind, können neben LC-Gittern für die schaltbaren Beugungsgitter auch PDLC-Volumengitter oder Polarisationsgitter in Kombination mit schaltbaren Verzögerungsplatten zur Lichtablenkung eingesetzt werden. Die schaltbaren Verzögerungsplatten dienen dabei zur aktiven Umschaltung des Polarisationszustandes der Lichtstrahlen. So kann z.B. auch ein Satz von mittels der Polarisation schaltbarer Polarisationsgitter verwendet werden, bei dem die Gitter in der plus ersten und in der minus ersten Beugungsordnung gleiche Intensitäten aufweisen.
Für eine vorgebbare Folge von festen Scanning-Schritten kann auch ein Winkelmultiplex in Verbindung mit winkelselektiven Volumengittern eingesetzt werden, wobei das das erste Beugungsgitter schaltbar ausgebildet ist und wobei das zweite Beugungsgitter vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordnet ist und in Form eines winkelselektiven Volumengitters ausgebildet ist, durch welches die vorgebbaren Ablenkwinkel für mindestens eine Lichtwellenlänge mittels einer fest eingeschriebenen Beugungsstruktur realisierbar sind. Dabei kann das erste der beiden Gitter z.B. auch ein schaltbarer PDLC-Gitterstapel sein. Während also das erste Gitter bzw. der Gitterstapel die aktive winkelmäßige Ablenkung der einfallenden, durch die primäre Kollimationslinse kollimierten Lichtstrahlen realisiert, werden diese durch das passive winkelselektive Volumengitter in Abhängigkeit vom Einfallswinkel lateral versetzt und parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Die Lichtablenkung kann auch ausschließlich im räumlichen Multiplex erfolgen, wobei das erste Beugungsgitter schaltbar ausgebildet ist und wobei das zweite Beugungsgitter vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordnet ist und in Form eines Volumengitters ausgebildet ist, welches mehrere Streifensegmente aufweist, und wobei die Streifensegmente derart ausgebildet sind, dass das mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse unter einem zunehmend größeren Winkel auftreffende Licht in eine Richtung parallel zur optischen Achse gebeugt wird. Das heißt, dass bei dieser Variante das jeweilige Streifensegment des zweiten Gitters einen fest eingeschriebenen Ablenkwinkel realisiert, um einen unter einem Winkel zur optischen Achse einfallenden Lichtstrahl wieder parallel zu derselben auszurichten. Dieses Gitter kann z.B. auch in der Mitte einen Bereich aufweisen, in den gar kein Volumengitter einbelichtet ist, so dass ein einfallender Lichtstrahl in seiner Richtung nicht verändert wird. Neben Strahlengängen, die symmetrisch zur optischen Achse der Anordnung verlaufen, können auch Strahlengänge realisiert werden, die schräg bzw. asymmetrisch dazu verlaufen. Dies erfordert, dass die Beugungsgitter, die zwischen der primären Kollimationslinse der Lichtquelle und dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordnet sind, derart ausgebildet sind, dass auch off axis Strahlengänge realisierbar sind, beispielsweise um die 0-te Beugungsordnung der Gitter zu eliminieren, wenn nur von der ersten bzw. höheren Beugungsordnungen im weiteren Verlauf des Strahlenganges Gebrauch gemacht werden soll.
Die Beugungsgitter, die zwischen der primären Kollimationslinse der Lichtquelle und dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordnet sind, können auch derart ausgebildet sein, dass eine in horizontaler und/oder vertikaler Richtung schaltbare Ausleuchtung bestimmter Bereiche des ersten Mikrolinsenfeldes der Kollimationseinheit realisierbar ist. Auf diese Weise ist dann auch eine in zwei unterschiedliche Richtungen ausgerichtete bzw. zweidimensional scannende Beleuchtung eines nachfolgenden Lichtmodulators realisierbar. Ein spezielles Problem ergibt sich, wenn das erste Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit nicht durch eine einzige Lichtquelle in Kombination mit einer großflächigen Kollimationslinse, sondern durch mehrere Lichtquellen in Kombination mit einem Kollimationslinsenfeld beleuchtet wird. Das Problem stellt die durch die Beugung an den Kanten der Linsen hervorgerufene Verbreiterung des Planwellenspektrums der Beleuchtung dar und erfordert zusätzliche Maßnahmen zu seiner Beseitigung.
Die Linsen ersten Mikrolinsenfeldes der Kollimationseinheit werden beispielsweise mit segmentierten Planwellen beleuchtet, deren Planwellenspektrum in einer Richtung eine Winkelabweichung von ca. 1/20 0 deg und in der dazu orthogonalen Richtung von ca. 1 0 deg aufweist. Diese Begrenzungen des Planwellenspektrums können z.B. in einem holografischen Display erforderlich sein, das mit einer eindimensionalen horizontalen oder vertikalen holografischen Kodierung arbeitet.
Eine Lösung besteht dann beispielsweise in einer zusätzlichen Winkelfilterung des Wellenfeldes, wobei zur Vermeidung der Verbreiterung des Planwellenspektrums durch Beugung an den Linsenrändern des Kollimationslinsenfeldes diesem in Lichtrichtung eine Kombination von zwei Volumengittern zur Winkelfilterung nachgeordnet ist. Die Kombination von Volumengittern zur Winkelfilterung des Planwellenspektrums weist dabei ein erstes dünnes Volumengitter mit einer breiten Winkelselektivität und einem großen, von der Senkrechten auf die Gitteroberfläche abweichenden Beugungswinkel und ein zweites dickes Volumengitter mit einer schmalen Winkelselektivität auf, das derart ausgebildet ist, dass die im Bereich des vorgegebenen Planwellenspektrums auftreffenden Lichtstrahlen im wesentlichen in Richtung der Senkrechten auf die Gitteroberfläche gebeugt werden und die außerhalb des Planwellenspektrums sich ausbreitenden Lichtstrahlen ungebeugt durchgelassen werden.
Auf diese Weise lässt sich eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Direktsichtdisplay, welche zumindest in einer Richtung ein auf < 1/20 0 deg eingeschränktes Planwellenspektrum aufweist, auch mit einer Vielzahl von Lichtquellen und einem kollimierenden Linsenfeld erzeugen.
Zur Realisierung der Winkelfilterung des Planwellenspektrums in zwei orthogonalen Richtungen kann dabei eine zweite, um 90 0 deg gegenüber der ersten verdrehte Kombination von Volumengittern der ersten nachgeordnet sein.
Die Beleuchtungsvorrichtungen für transmissive Lichtmodulatoren (BLU: back light unit) können im allgemeinen aber auch für die Beleuchtung von reflektiven Lichtmodulatoren (FLU: front light unit) modifiziert werden.
So kann z.B. eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem großflächigen Volumengitter als Vergrößerungseinheit durch eine Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/4-Platte, ergänzt werden, die in Lichtrichtung dem flächenhaften Volumengitter nachgeordnet ist. Wenn auf diese λ/4-Platte z.B. in horizontaler Richtung linear polarisiertes Licht fällt, so verlässt es die Platte mit einer zirkulären Polarisation. Ein nachfolgend angeordneter reflektierender Lichtmodulator reflektiert das modulierte zirkulär polarisierte Licht dann wieder in Richtung der λ/4-Platte, und nach Durchgang durch dieselbe ist es vertikal polarisiert. Dieses vertikal polarisierte Licht kann das Volumengitter nun ungehindert passieren, ohne dass es mit dem ursprünglich horizontal polarisierten Licht interferiert, und kann von einem in Lichtrichtung vor dem Volumengitter befindlichen Betrachter wahrgenommen werden.
Neben der polarisationsmäßigen Trennung des Beleuchtungslichts von dem reflektierten und modulierten Licht besteht eine weitere Möglichkeit zur Trennung in der Nutzung der Winkelselektivität eines lichtablenkenden Elements, beispielsweise eines Volumen-Beugungsgitters, das das von geeigneten Lichtquellen ausgehende Licht in einen planaren Wellenleiter einkoppelt, welcher sich über die gesamte Fläche des Lichtmodulators erstreckt und das Licht zur Beleuchtung des Lichtmodulators aus diesem auch wieder auskoppelt.
Wird beispielsweise ein Transmissions-Volumengitter ausreichender Dicke und eine ausreichend schräge Beleuchtung des Lichtmodulators verwendet, d.h. beispielsweise 5 0 deg, so liegt beim Rückweg des modulierten Lichts vom reflektierenden Lichtmodulator eine Off-Bragg-Beleuchtung des Volumengitters und somit keine beugende Funktion dieses zur Beleuchtung des Lichtmodulators verwendeten Volu meng itters vor. Das durch den Lichtmodulator reflektierte und modulierte Licht kann dadurch ungehindert zum Betrachter gelangen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung:
Fig.1 eine Beleuchtungsvorrichtung, die eine Kollimationseinheit vor zwei das Wellenfeld nacheinander in zwei Richtungen aufweitenden transmissiven Volumengittern aufweist,
Fig.2 eine Seitenansicht der Kollimationseinheit von Fig. 1 ,
Fig.3 das Prinzip der zweimaligen Strahlaufweitung innerhalb einer Beleuchtungsvorrichtung in zwei orthogonale Richtungen mittels zweier transmissiver Volumengitter,
Fig.4 eine Darstellung der in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 umgesetzten zweimaligen
Strahlaufweitung um den jeweiligen Faktor 10,
Fig.5 eine anamorphotische Vergrößerung eines Lichtmodulators (SLM, links gezeigt) um den
Faktor 10 in der horizontalen Richtung in der Ebene einer holografischen off-axis Linse,
Fig.6 eine Aufsicht einer Anordnung eines in Reflexion arbeitenden Lichtmodulators (SLM, unten auf der Basisplatte angeordnet), der in einer Richtung anamorphotisch um den Faktor 10 mittels einer in Form eines transmissiven Volu meng itters ausgebildeten off-axis Feldlinse vergrößert wird und
Fig.7 eine Ansicht der Vergrößerung der Kodierfläche eines Lichtmodulators, bei der die optischen
Wegunterschiede der Lichtstrahlen in den verschiedenen Punkten der Kodierfläche nach Durchgang durch die Anordnung durch unterschiedliche Graufärbung dargestellt sind.
Fig. 8 den Aufbau einer einzelnen Zeile einer zellenförmigen Kollimationseinheit
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungsvorrichtung mit einer
Kollimationseinheit, die eine Doppelreihe kollimierender refraktiver Linsen aufweist. Links:
Seitenansicht. Rechts: Perspektivische Darstellung, welche nur drei Doppellinsen zeigt. Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungsvorrichtung mit einer
Kollimationseinheit, die eine Doppelreihe kollimierender refraktiver Linsen aufweist. Links: Seitenansicht. Rechts: Vorderansicht, welche nur zwei Zeilen der Kollimationseinheit zeigt. Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer scannenden Beleuchtungsvorrichtung mit einem in
Streifenform segmentierten Shutter, die mit einer anamorphotischen Vergrößerung des hinter der Kollimationseinheit vorliegenden Wellenfeldes arbeitet.
Fig. 12 einen aktiven optischen Schalter zur Umschaltung des Lichts einer primären Lichtquelle zwischen zwei lichtleitenden Fasern.
Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel einer Kollimationseinheit, die es ermöglicht, mittels einer Kaskade faseroptischer Schalter ausgewählte Linsen eines Kollimationslinsenfeldes auszuleuchten. Fig. 14 eine passive Licht-Austrittsstelle am Ende einer Multimode-Faser.
Fig. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kollimationseinheit, die es ermöglicht, mittels zweier
LC-Gitter ausgewählte Bereiche eines Kollimationslinsenfeldes auszuleuchten.
Fig. 16 Ausführungsbeispiel einer scannenden Beleuchtungsvorrichtung mit einer
Kollimationseinheit, die es ermöglicht, mittels zweier LC-Gitter gem. Fig. 15 den Eingang einer nachfolgenden Vergrößerungseinheit gem. Fig. 11 mit streifenförmigen Beleuchtungsbereichen direkt auszuleuchten.
Fig. 17 die Winkel-Filterwirkung einer Kombination aus zwei Volumengittern VG1 und VG2.
Fig. 18a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kollimationseinheit, die es ermöglicht, mittels faseroptischer Schalter ausgewählte Parabolspiegel eines Kollimations-Parabolspiegelfeldes einer Beleuchtungsvorrichtung für reflektive Lichtmodulatoren auszuleuchten.
Fig. 18b Ausführungsbeispiele für zellenförmige Kollimationseinheiten zur Einkopplung des Lichts über Volumengitter in planare Wellenleiter gem. Fig. 18a.
In den Fig. sind dieselben oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsvorrichtung des holographischen Displays, die eine Kollimationseinheit vor zwei das Lichtwellenfeld nacheinander in zwei unterschiedlichen Richtungen aufweitenden transmissiven Volumengittern aufweist. Hierbei weist die zwei Mikrolinsenfelder umfassende Kollimationseinheit in vorteilhafter Weise eine geringe Baugröße auf.
Die Aufweitung des Lichtwellenfeldes erfolgt dabei anamorphotisch, d.h. die Vergrößerung ist in den beiden unterschiedlichen Richtungen verschieden.
Das von einer in der Leistung P und der Wellenlänge λ stabilisierten Laserdiode sLD ausgehende Licht wird beispielsweise mittels einer Gradientenindexlinse (GRINCL, gradded index lens) in eine lichtleitende Faser (OF, optical fiber) eingekoppelt.
Das vom Faserende des Lichtwellenleiters OF ausgehende divergente Licht wird mit der Kollimationseinheit kollimiert, d.h. zu einer Planwelle geformt, was gleichbedeutend damit ist, dass die Lichtstrahlen durch die Kollimation parallel ausgerichtet werden. Die Kollimationseinheit umfasst eine primäre Kollimationslinse (pCL, primary collimation lens).
Das erste Mikrolinsenfeld fML (first micro lens) der Kollimationseinheit (LCU, light collimation unit) fokussiert das auf dieses Mikrolinsenfeld fML einfallende kollimierte Licht in die Brennebene der einzelnen Mikrolinsen und erzeugt damit ein Feld sekundärer Lichtquellen (sLS, secondary light source).
In der Brennebene der Mikrolinsen des Mikrolinsenfeldes fML ist eine Streuscheibe sPS angeordnet, die es erlaubt, die Phase des Lichtes räumlich statistisch zu streuen. Diese streuende Ebene (sPS in Fig. 1 ) kann beispielsweise eine mechanisch (z.B. durch einen oder mehrere Piezokristalle) bewegte Streuscheibe sPS sein. Die statistische, zeitlich veränderliche räumliche Variation der Phase der sekundären Lichtquellenebene ist notwendig, um bei einer eindimensionalen Kodierung des Hologramms auf einem Lichtmodulator in der inkohärenten Richtung einen Sweet Spot (das heißt einen Beleuchtungsbereich) erzeugen zu können. Hinter der Ebene der Streuscheibe sPS ist ein Blendenfeld AS(sLS) angeordnet, welches die räumliche Ausdehnung der sekundären Lichtquellen bestimmt (AS, aperture stop; sLS, secondary light source). Bei einer eindimensionalen Kodierung ist in einer Richtung hinreichende räumliche Inkohärenz zu erzeugen. Dies wird durch die Ausdehnung der statistisch in der Phase schwankenden Lichtquelle erreicht. Die zweite, kohärente Richtung weist dabei eine kleine räumliche Ausdehnung der sekundären Lichtquelle auf. Somit sind die Blendenöffnungen des Blendenfeldes AS(sLS) stark unsymmetrisch, d.h. beispielsweise 15 μιη in der inkohärenten Richtung und 0,5 μιτι in der kohärenten Richtung, um ein Planwellenspektrum mit einem Winkelbereich von 0,5 0 deg (0,5 Grad) bzw. 1/60 0 deg hinter dem zweiten, kollimierenden Mikrolinsenfeld cML zu realisieren. Zwischen dem Blendenfeld AS(sLS), welches ein Feld sekundärer Lichtquellen darstellt, und dem die sekundären Lichtquellen sLS kollimierenden Mikrolinsenfeld cML sind zwei Blendenfelder aAS1 und aAS2 angeordnet, um ein Übersprechen bei der Beleuchtung (illumination cross talk) zu verhindern, d.h. zu verhindern, dass Licht einer sekundären Lichtquelle in benachbarte Mikrolinsen gelangt, d.h. in andere Mikrolinsen als die ihr zugeordnete.
Fig. 2 zeigt die Kollimationseinheit LCU von Fig.1 in einer Ansicht von links. Die primäre Lichtquelle weist dabei 3 Laserdioden R, G, B in den jeweiligen Farben RGB auf, deren rote, grüne und blaue Strahlung in einer optischen Faser OF zusammengeführt wird. Die Bezeichnungen in Fig. 2 sind:
R: Laserdiode rot; G: Laserdiode grün; B: Laserdiode blau; p LS: primäre Lichtquelle (primary light source); YJ1 and YJ2: Y Verbindung 1 und 2 (Y junction 1 and 2); OF: optische Faser (optical fiber); cp LS(RGB): kombinierte primäre Lichtquelle (rot, grün, blau) (combined primary light source (red, green, blue)); p CL: primäre Kollimationslinse (primary collimating lens); c WF: kollimierte Wellenfront (collimated wave front); f MLA: fokussierendes Mikrolinsenfeld (focussing micro lens array); s PS+PZT: statischer Phasenstreuer und Piezoverschieber (statistic phase scatter and piezo translation); AS(sLS): Aperturblende (definiert die aktive Fläche der sekundären Lichtquellen) (aperture stop (defines active area of the secondary light sources)), AS(ict)1+2: Aperturblenden 1 und 2 zum Vermeiden von Übersprechen (aperture stops 1 and 2 to avoid illumination cross talk); c MLA: kollimierendes Mikrolinsenfeld (collimating micro lens array); sc WF: segmentierte kollimierte Wellenfront (segmented collimated wave front).
Das Prinzip der zweimaligen Strahlaufweitung innerhalb einer Beleuchtungseinheit in zwei unterschiedlichen, hier orthogonalen Richtungen mittels zweier transmissiver Gitter in Form von Volumenhologrammen ist in Fig. 3 dargestellt. Das von der LCU kommende Lichtwellenfeld wird von dem ersten transmissiven Volumenhologramm VH1 abgelenkt und aufgeweitet. Dieses Lichtwellenfeld wird anschließend vom zweiten transmissiven Volumenhologramm VH2 ein weiteres Mal abgelenkt und aufgeweitet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Kollimationseinheit im Strahlengang (SG) vor die beiden Gitter angeordnet.
Die Volumenhologramme der Vergrößerungseinheit können z.B. zweckmäßig durch eine in-situ- Belichtung von beispielsweise entsprechend sensibilisierten und in der Dicke bemessenen lichtempfindlichen Materialien hergestellt werden. Auf diese Weise können die in der Beleuchtungsvorrichtung real vorhandenen Aberrationen durch die Volumenhologramme kompensiert werden. Fig. 4 verdeutlicht, wie das Wellenfeld einer segmentiert kollimierten Wellenfront mittels zweier, gemäß der Fig. 3 hinter der Kollimationseinheit angeordneter transmissiver Volumengitter VH1 und VH2 nacheinander in zwei Richtungen um den jeweiligen Faktor 10 aufgeweitet wird.
Das Planwellenspektrum der segmentiert kollimierten Wellenfront scWF, welches hinter der Kollimationseinheit LCU vorliegt, wird durch Beugung an den beiden Volumenhologrammen bzw. Gittern verändert. Der hinter dem Gitter in den jeweiligen Ordnungen m der Signalwellen vorliegende Winkel Qs ergibt sich zu:
Θ, = arcsin(mA/(nAx) + sin(0Ä )) (Gleichung 1 ) Dabei ist Λ die Wellenlänge, n der Brechungsindex, ΛΧ die Periode an der Oberfläche des Volumengitters und GR der Winkel des rekonstruierenden Strahls, d.h. der Winkel mit dem der beleuchtende Strahl auf das Volumengitter einfällt in rad. Die Vorzeichenkonvention der Winkel ist für die Quadranten 1 , 2, 3 und 4 +, +, - und -.
Die Ableitung des arcsin(x) ergibt sich
d
— arcsm(x) j
X V(1 _ ) (Gleichung 2)
Somit ergibt sich d0s/d0R zu:
dQs cos(0Ä)
V(l-(mA/(„A,) + sta(6B) ) (G|e.chung 3)
Das Ziel bezüglich der Winkelbereiche des Planwellenspektrums PWS ist 1/60 0 deg für die kohärente Richtung und 0.5 0 deg für die inkohärente Richtung. Es gilt tan(0.5 0 deg) * 1000 mm = 8,73 mm. D.h. +/- 0,25 0 deg Planwellenspektrum ist ausreichend, um in 1 m Entfernung vom Display einen ca. 9 mm breiten Sweet Spot zu erzeugen. Das Planwellenspektrum der Beleuchtung sollte nicht zu breit gewählt werden, da es durch eine dem Display nachgeordnete Ablenkeinheit zur Betrachternachführung (siehe z.B. WO 2006/066919 A1 ) noch weiter verbreitert werden kann. Eine solche Ablenkeinheit ist beispielsweise in der WO 2010/066700 oder in der PCT/EP2010/058625 beschrieben. Bei Ablenkwinkeln zur Betrachternachführung von 30 0 deg und mehr kann das Planwellenspektrum, welches beispielsweise vor der Ablenkeinheit vorliegt, auch in der kohärenten Richtung kleiner 1/60 0 deg gewählt werden, d.h. beispielsweise auch 1/100 0 deg, um zu gewährleisten, dass auch bei großen Ablenkwinkeln die Winkelauflösung des Auges, die 1/60 0 deg beträgt, nicht überschritten wird.
Bei den in den Fig. 3 und 1 dargestellten Volumengittern tritt nach Gleichung (3) jedoch eine Winkelreduktion um den Faktor 0,1 auf. D.h., wenn bei 0RO = 84,26 0 deg und 0so = 0 0 deg, d.h. bei der Designgeometrie ein Planwellenspektrum von +- 0,25 0 deg in der Beleuchtung vorliegt, so wird es hinter dem Gitter auf ein Planwellenspektrum von ca. +- 0,025 0 deg transformiert. Bei einer umgekehrten Geometrie ergibt sich ein Faktor 10.
Das Planwellenspektrum der Kollimationseinheit beträgt also +- 1/12 °deg und +- 2,5 0 deg für eine eindimensionale holografische Kodierung des Lichtmodulators. Bei dieser Kodierungsart wird die dreidimensionale Szene in einer Richtung holografisch und in der orthogonalen Richtung stereoskopisch kodiert bzw. generiert. Je nach holografischer Kodierungsrichtung handelt es sich dabei um eine HPO- (horizontal parallax only) oder VPO- (vertical parallax only) Kodierung.
Im Falle einer ausschließlich stereoskopischen Kodierung, bei der die Kohärenzeigenschaften der Beleuchtung keine Rolle spielen, entfällt die Einschränkung des Planwellenspektrums auf einen Winkelbereich, der wesentlich kleiner als 1 0 deg ist, so dass in horizontaler und/oder vertikaler Richtung ein Winkelbereich nicht größer als 3 0 deg durchaus zulässig ist.
Die vorangegangenen Ausführungen können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch zu einer Vergrößerung der Kodierfläche des Lichtmodulators eines Displays und insbesondere eines holografischen Displays genutzt werden. Hierbei ist es vorteilhaft möglich, die Anzahl der verwendeten optischen Bauteile des holografischen Displays zu minimieren. Auch eine Minimierung der Größe des Lichtmodulators zumindest in einer Richtung ist vorteilhaft (siehe Fig. 5).
Hierzu kann z.B. ein als off-axis Feldlinse ausgebildetes Volumengitter verwendet werden, um eine anamorphotische Vergrößerung - vorzugsweise in der inkohärenten Richtung des Lichtmodulators - eines beispielsweise eindimensional kodierten holografischen Displays zu erzielen.
Die anamorphotische Vergrößerung in einer Richtung hat den Vorteil, einen Lichtmodulator in Reflexion verwenden zu können, der so hoch wie das Display, aber nur 1/10 so breit wie das Display ist. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Dadurch, dass die Vergrößerung mittels einer off-axis Linse erreicht wird, die mit einem transmissiven Volumengitter realisierbar ist, ist die Anzahl der Komponenten im Display reduziert. Die Linse kann in einer Richtung als Winkelfilter wirken. D.h., dass der Lichtmodulator an der unteren Seite des Displays angebracht werden kann, wobei das Volumengitter in kohärenter Richtung den Winkel des virtuellen Betrachterfensters (viewing window, VW, siehe z.B. WO 2006/066919 A1 ) aus der auf das Gitter treffenden Wellenfront ausschneiden kann und nur diesen in der Funktion als Feldlinse in Richtung des Betrachters beugt. D.h., dass die Ansicht in Fig. 6 auch als Seitenansicht eines holografischen Displays angesehen werden kann. Die Kollimationseinheit ist in Fig. 6 vereinfacht dargestellt. Sie kann beispielsweise zusätzlich zur dargestellten primären Lichtquelle pLS und zur primären Kollimationslinse pCL zwei Mikrolinsenfelder enthalten, um mittels Blenden und einer Streuscheibe das segmentierte Planwellenfeld zu erzeugen, welches zur Beleuchtung des Lichtmodulators SLM benötigt wird (vgl. z.B. Fig. 2). Hinter der Feldlinse VH2, die eine kompakte bzw. flache Bauweise ermöglicht, kann sich eine Ablenkeinheit befinden (nicht gezeigt), um die Nachführung der Wellenfront auf ein sich bewegendes Betrachterauge zu ermöglichen (Benutzernachführung). Dabei kann es sich beispielsweise um zwei gekreuzte variabel einstellbare Beugungsgitter handeln, welche beispielsweise in der PCT/EP2010/058625 beschrieben sind und welche lokal variable Ablenkwinkel realisieren.
Eine kompakte Bauweise einer Beleuchtungsvorrichtung eines holografischen Displays HD ist in Fig. 1 dargestellt. Ein sich ergebender Effekt ist die geringe Baugröße der Kollimationseinheit LCU, die zwei Mikrolinsenfelder fMLA und cMLA aufweist. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ist ursprünglich dafür gedacht, einen Lichtmodulator (nicht gezeigt) zu beleuchten, der im Wesentlichen die Größe bzw. die äußeren Ausmaße des Displays hat und nach der Vergrößerungseinheit VE angeordnet ist. Sie kann jedoch gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch dafür verwendet werden, den Lichtmodulator anamorphotisch zu vergrößern. Dies erfolgt analog eines Aufbaus mit einem Teleskop, welches beispielsweise eine Strahlaufweitung um den Faktor 10 bewirkt. Der voluminöse Aufbau, der ein Teleskop verwendet, kann dadurch wesentlich verkleinert werden. Dies kann durch konsequente Verfolgung des Ansatzes der Strahlaufweitung mittels Gittern, die hier ohne Einschränkung der Allgemeinheit als transmissive Volumenhologramme VH1 , VH2 ausgeführt sind, erreicht werden. Das Prinzip ist in Fig. 3 dargestellt.
Der Lichtmodulator kann vor der Vergrößerungseinheit VE aus Fig. 3 angeordnet werden und sowohl in Transmission als auch in Reflexion betrieben werden. Reflexionsanordnungen sind bevorzugt. Ein solcher Lichtmodulator könnte beispielsweise in Form eines LCOS (Liquid Crystal On Silicon) oder eines MEMS (Micro Electro Mechanical System), z.B. DMD (Digital Micromirror Device) ausgebildet sein. Für unterschiedliche Farben bzw. Lichtwellenlängen könnte jeweils eine Kollimationseinheit (LCU) und ein Lichtmodulator vorgesehen sein, welche mit entsprechenden Strahlvereinigerbauteilen (beispielsweise einem X-Cube, vergleichbar zu Strahlteilerplatten bei Farb-CCD-Kameras, nur in umgekehrter Richtung) zusammengeführt und in das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eingekoppelt werden.
Insoweit wird bei einem solchen Ausführungsbeispiel in erfindungsgemäßer Weise nicht nur die Kollimationseinheit LCU im Strahlengang SG vor den beiden Volumengittern VH1 , VH2 als Vergrößerungseinheit VE angeordnet, sondern es wird auch der Lichtmodulator vor den beiden Volumengittern VH1 , VH2 angeordnet. Dementsprechend wird der Lichtmodulator hinter der Kollimationseinheit LCU aus Fig. 2, aber vor die zwei Volumengitter VH1 , VH2 aus Fig. 3 angeordnet. Der Lichtmodulator eines 24" Displays des Seitenverhältnisses 16 (horizontal): 9 (vertikal) hat dann beispielsweise die Abmessung 53 mm x 30 mm statt 530 mm x 300 mm. Kleine Lichtmodulatoren können in Reflexion betrieben werden. Da die Schaltzeit τ ~ d2 (d= Dicke des SLM) ist, bedeutet ein Betrieb in Reflexion eine Erhöhung der möglichen Bildwiederholrate um einen Faktor 4. Zudem muss die Ansteuerungselektronik (backplane) nicht transmittierend ausgeführt werden.
Fig. 4 zeigt, wie das Wellenfeld einer segmentiert kollimierten Wellenfront mittels zweier, gemäß der Fig. 1 hinter der Kollimationseinheit LCU angeordneter transmissiver Volumengitter VH1 , VH2 nacheinander in zwei Richtungen aufgeweitet bzw. vergrößert wird. Dieses Prinzip der zweimaligen Strahlaufweitung kann nicht nur dafür eingesetzt werden, eine sehr kompakte Kollimationseinheit LCU im Display einsetzen zu können, sondern auch dafür, einen Lichtmodulator SLM kleiner Fläche einsetzen zu können, wobei dieser auch in Reflexion betrieben werden kann. Lichtmodulatoren mit kleiner aktiver Fläche sind erheblich kostengünstiger als solche mit großer aktiver Fläche.
Die zwei Volumengitter VH1 , VH2, die in Lichtausbreitungsrichtung hinter dem Lichtmodulator angeordnet sind, können analog zur Beleuchtungsvorrichtung BLU (backlight unit) zur Winkelfilterung verwendet werden. D.h., dass die Dicken der Volumengitter VH1 , VH2 derart zu wählen sind, dass in kohärenter Richtung maximal +- 1/20 0 deg und in inkohärenter Richtung maximal +- 0 deg im Planwellenspektrum vorliegen. Das vergrößerte Lichtwellenfeld (sWF) des Lichtmodulators SLM kann je nach konkreter Ausgestaltung der Volumengitter VH1 , VH2 beispielsweise schräg zu dem zweiten, flächenhaften Volumengitter VH2 im Raum angeordnet sein. Bei einem holografischen Display, wie es beispielsweise in der WO 2006/066919 A1 beschrieben ist, können jedoch einzelne Punkte einer darzustellenden dreidimensionalen Szene durch die holografische Kodierung in unterschiedlichen Tiefenbereichen erzeugt werden. Insoweit kann bei der Darstellung einer dreidimensionalen Szene eine eventuelle Schräglage eines von den zwei Volumengittern VH1 , VH2 vergrößerten Lichtwellenfelds durch die entsprechende Erzeugung der einzelnen Szenenpunkte in unterschiedlichen Abständen von dem zweiten Volumengitter VH2 berücksichtigt werden.
Die Schräglage SLWF eines von den zwei Volumengittern VH1 , VH2 vergrößerten Lichtwellenfeldes sWF ergibt sich aus der unterschiedlichen optischen Weglänge der Lichtstrahlen beim Durchgang durch die Volumengitter VH1 , VH2. Dies ist in Fig.7 für einen Lichtmodulator SLM dargestellt, der in zwei Dimensionen vergrößert wird. Die vergrößerte Kodierfläche des Lichtmodulators SLM weist in den einzelnen Punkten Unterschiede in der optischen Weglänge der diese Punkte durchlaufenden Lichtstrahlen auf, die in der Ansicht von vorn (rechts in Fig. 7) durch unterschiedliche Grautöne dargestellt sind. Am größten ist dieser Unterschied zwischen den Eckpunkten mit der größten Helligkeitsdifferenz, d.h. links unten zu rechts oben. Dies ist bei der Kodierung der Tiefe in der vom Display zu rekonstruierenden dreidimensionalen Szene zu berücksichtigen.
Eine weitere Forderung, die sich aus der unterschiedlichen Weglänge ergibt, bezieht sich auf die Kohärenzlänge der von der Beleuchtungsvorrichtung ausgehenden Lichtstrahlen. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglänge für zwei unterschiedliche Punkte der vergrößerten Kodierfläche des Lichtmodulators, die z.B. Punkte eines Subhologramms (siehe WO 2006/066919 A1 ) darstellen können, muss die Kohärenzlänge des Lichts größer als der maximal mögliche Weglängenunterschied zwischen diesen Punkten gewählt werden, damit diese Lichtstrahlen noch interferenzfähig sind. Bei einer Unterteilung der Kodierfläche in Teilbereiche (wie in Fig. 7 in Form von Rechtecken angedeutet), die z.B. Subhologrammen entsprechen können, muss die Kohärenzlänge größer als der Weglängenunterschied zwischen den beiden diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten mit dem größten Weglängenunterschied sein, damit im gesamten Bereich eines Subhologramms noch Interferenz stattfinden kann. Wie weiter oben dargestellt, muss dabei auch berücksichtigt werden, dass der Weglängenunterschied durch nachfolgende optische Anordnungen, z.B. zur Benutzernachführung, noch vergrößert werden kann.
Die Fläche einer Strahlvereinigungseinrichtung (Beam Combiner), wie sie z.B. in der PCT/EP 2010/058626 beschrieben ist und dort unter anderem als Lichtwellenmultiplexmittel bezeichnet wird, kann in vorteilhafter Weise ebenfalls klein ausgeführt werden, wenn die Lichtmodulatoren und die Strahlvereinigungseinrichtung vor der Vergrößerungseinheit VE angeordnet sind. Alternativ könnte auch eine doppelbrechende Kalzit-Platte mit relativ kleiner Abmessung eingesetzt werden, mit welcher ein vergleichbarer Effekt erzielt werden kann.
Störende Abstrahlwinkel, die beispielsweise durch Beugung an Blenden oder durch Übersprechen der Kollimationseinheit (Illumination cross talk) hervorgerufen werden, können mit der Winkelfilterfunktion der Volumengitter VH1 , VH2 daran gehindert werden, zum Auge eines Betrachters zu gelangen. Dementsprechend ist die Winkelselektion des Volumengitters VH2 für die jeweilige Anwendung geeignet auszulegen. Der Winkelbereich eines virtuellen Betrachterfensters VW (viewing window) kann gezielt aus dem kodierten Wellenfeld herausgeschnitten werden. Dies entspricht einer Glättung der kodierten Wellenfunktion und kann derart optimiert werden, dass neben dem virtuellen Betrachterfester VW auftretende Beugungsordnungen unterdrückt, bzw. vermieden werden. Der Lichtmodulator SLM sollte dabei jedoch in kohärenter Lichtrichtung mit einem Planwellenspektrum des Lichts beleuchtet werden, das den Winkelbereich von 1/60 Grad nicht überschreitet. Hinter dem Lichtmodulator SLM kann sich der Winkelbereich dann aber durchaus auf +/- 3 Grad erhöhen.
Die Beleuchtungsvorrichtung der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 6 könnte beispielsweise auch als sogenanntes Frontlight ausgebildet bzw. eingesetzt werden, mit welchem ein reflektiver Lichtmodulator beleuchtet werden kann. Das aus der Beleuchtungsvorrichtung austretende und auf den Lichtmodulator auftreffende Licht kann z.B. mit einer Verzögerungsplatte in seiner Polarisationsrichtung verändert werden, so dass das an dem Lichtmodulator reflektierte Licht im Wesentlichen unabgelenkt durch die Beleuchtungsvorrichtung sich in Richtung des Betrachters ausbreiten kann und nicht wieder in die Beleuchtungsvorrichtung eintritt. Eine solche Verzögerungsplatte wäre geeignet auszubilden und zwischen der Beleuchtungsvorrichtung und dem Lichtmodulator anzuordnen. Als Alternative zu der Verwendung einer Verzögerungsplatte kann das Beleuchtungslicht an dem Wiedereintreten in die Beleuchtungsvorrichtung nach der Reflexion am Lichtmodulator dadurch gehindert werden, dass das Beleuchtungslicht derart aus der Beleuchtungsvorrichtung austritt, dass es bei der Reflexion an dem Lichtmodulator nicht in sich selbst zurück reflektiert wird, wenn zum Beispiel das Licht unter einem Winkel von 5 0 zur Normalen der Oberfläche des Lichtmodulators aus der Beleuchtungsvorrichtung austritt. Das Volumengitter der Beleuchtungsvorrichtung wäre hierzu dementsprechend auszubilden. In diesem Fall "sieht" das am Lichtmodulator reflektierte Licht das Volumengitter der Beleuchtungsvorrichtung aufgrund einer vorgebbaren Winkelselektivität des Volumengitters bzw. des Volumenhologramms nicht und passiert die Beleuchtungsvorrichtung im Wesentlichen unabgelenkt. Bei sehr hohen Bildwiederholraten von beispielsweise > 240 fps (engl.: frame rates, fps: frames per second) ist es vorteilhaft, die Beleuchtungsvorrichtung derart auszuführen, dass einzelne Flächensegmente unabhängig voneinander anzuschalten und zeitlich zu modulieren sind, so dass z.B. nur die Bereiche eines nachfolgenden Lichtmodulators beleuchtet werden, welche den vorgesehenen Einstellwert / Sollwert erreicht haben (z.B.: Plateau der Phase beim LC-Schaltvorgang).
Eine Möglichkeit zur Realisierung großflächiger scannender Beleuchtungsvorrichtungen besteht darin, das von einer miniaturisierten Kollimationseinheit ausgehende segmentierte Planwellenfeld nicht durch eine Kombination von zwei Volumengittern in zwei orthogonalen Richtungen zu vergrößern, sondern nur das flächenhaft vergrößernde zweite Volumengitter zu verwenden und an einer seiner Kanten, von der aus das Licht auf das Gitter fällt, so viele zellenförmige Kollimationseinheiten mit mindestens zwei unabhängig voneinander schaltbaren Lichtquellen und mindestens zwei kollimierenden refraktiven Linsen am Ausgang so hintereinander anzuordnen, dass die Fläche des Volumengitters über die gesamte Breite der Kante ausgeleuchtet wird. Nach Vergrößerung durch das flächenhafte Volumengitter entsteht dadurch ein Feld unabhängig schaltbarer Beleuchtungssegmente, deren Anzahl dem Produkt aus der Anzahl der Kollimationszeilen und der in jeder Zeile schaltbaren Lichtquellen entspricht.
Eine einzelne Zeile einer solchen Kollimationseinheit ist in Fig. 8 dargestellt, wobei die Bezeichnungen folgende Bedeutung haben: LS: Lichtquelle, light source; sPS: statischer Phasenstreuer, statistic phase scatter; FL: Linse, focussing lens; AS(sLS): Aperturblende, aperture stop (secondary light sources); B: Grundplatte, base; aAS1 : Apodisationsblende, apodized aperture stop 1 ; aAS2: apodized aperture stop 2, CL: Kollimationslinse, collimation lens. Die durch den Ausgang der zellenförmigen Kollimationseinheit gebildete Beleuchtungsfläche kann aber auch die Eingangsfläche einer keilförmigen Lichtleiteinrichtung aus einem lichtbrechenden Material wie z.B. Glas ausleuchten, an deren im wesentlichen senkrecht zur Eingangsfläche stehender Ausgangsfläche sich das flächenhafte Volu meng itter anschließt. Eine derartige Lichtleiteinrichtung ist in dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 9 dargestellt und mit LE bezeichnet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass anstelle der keilförmigen Lichtleiteinrichtung (LE) aus einem lichtbrechenden Material kein optisches Medium oder Luft vorgesehen ist und dass das Beleuchtungslicht von der zeilenförmigen Kollimationseinheit unmittelbar auf das flächenhafte Volumengitter bzw. ein das flächenhafte Volumengitter tragendes Material auftrifft.
Das in Fig. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel für eine flache Beleuchtungsvorrichtung, die eine Doppelreihe kollimierender refraktiver Linsen aufweist, besteht darin, einzelne Lichtquellen oder Auskoppelstellen von Lichtleitern als sekundäre Lichtquellen anzusteuern. In der horizontalen Richtung können beispielsweise Streifen von 5 mm Breite unabhängig voneinander ausgeleuchtet werden. Jeder Linse am Ausgang der Kollimationseinheit kann beispielsweise eine Laserdiode LD als Lichtquelle zugeordnet sein. Werden die zwei Laserdioden, die von einer Doppellinse kollimiert werden, angeschaltet, so wird ein vertikaler Streifen der Breite einer Linse nahezu homogen ausgeleuchtet, beispielsweise die Bereiche 11 und 12 aus Fig. 10. Diese Bereiche können aber auch einzeln an- und abgeschaltet werden.
In Fig. 10 sind die unabhängig voneinander ansteuerbaren, d.h. ausleuchtbaren Bereiche der Beleuchtungsvorrichtung nummeriert. Vertikal gibt es 2 Bereiche und horizontal eine Vielzahl, d.h. beispielsweise 40, wie dies in Fig. 10 der Fall ist. Die Anordnung aus Fig. 10 kann auch als eine von mehreren Teilbereichen einer kacheiförmig zusammengesetzten Beleuchtungsvorrichtung betrachtet werden. Vertikal ergeben sich beispielsweise 4 Segmente, wenn zwei Teilbereiche an ihrer Stirnseite zusammengesetzt werden. Die Spaltbreite des unausgeleuchteten Bereiches ist dabei < 100 μ m, um vom Betrachter nicht wahrgenommen werden zu können, wenn die Displayebene, bzw. eine Ebene in unmittelbarer Nähe der Displayebene, d.h. beispielsweise eine Ebene in der Tiefe der Displayebene mit einer Abweichung von + 10 mm bis - 20 mm, als leuchtende Fläche dargestellt wird.
Eine weiteres Ausführungsbeispiel für eine scannende Beleuchtungsvorrichtung besteht darin, einen in Streifenform segmentierten Shutter vor dem ersten Mikrolinsenfeld der miniaturisierten Kollimationseinheit einer Beleuchtungsvorrichtung anzuordnen (siehe Fig.11 ), die mit einer anamorphotischen Vergrößerung des hinter der Kollimationseinheit vorliegenden Wellenfeldes arbeitet, wobei die Transparenz mehrerer in vertikaler oder horizontaler Richtung verlaufender streifenförmiger Segmente steuerbar ist. Vorteil dieser Anordnung ist, dass störende Beugungsanteile des streifenförmigen Shutters am Blendenfeld AS(sLS): aperture stop(secondary light sources) räumlich gefiltert, d.h. ausgeblendet werden.
Bei Mikrolinsen, die beispielsweise eine Apertur von 5 mm x 5 mm aufweisen, ist eine Justagetoleranz der Segmente des streifenförmigen Shutters von Dx, Dy = 0,1 mm unproblematisch.
Je nach Scan-Richtung können die Liniensegmente des streifenförmigen Shutters horizontal liegen, um vertikale Streifen zu erzeugen, oder vertikal stehen, um horizontale Streifen zu erzeugen.
Eine bevorzugte Ausführungsform hat jeweils zwei vertikal oder horizontal in der Display-Ebene, d.h. in der Ebene des Lichtmodulators verlaufende, ausgeleuchtete Streifen, die zeitsequentiell in horizontaler oder vertikaler Richtung zwischen dem Rand des Lichtmodulators und der Mitte desselben bewegbar sind (siehe Fig. 11 ). Die Lichtquelle ist beispielsweise 3 % der Zeit angeschaltet. Die Verwendung von Shuttern ist jedoch mit einem Verlust von Laserleistung verbunden. Im Beispiel gem. Fig. 1 1 sind nur 20 % der Shutterfläche transmittierend. Und wenn keine Drahtgitterpolarisatoren (wire grid polarizer WGP) verwendet werden, so ist die Transmission dabei kleiner als 70 %. Somit werden in der Ebene des Shutters über 85 % des Lichtes absorbiert.
Die Minimierung der Absorptionsverluste kann durch den Einsatz von Lichtleitern in Verbindung mit aktiven faseroptischen Schaltern erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, ausgewählte Linsen eines vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes durch eine Kaskade schaltbarer faseroptischer Lichtquellen zu beleuchten. Beispielsweise können Faserschalter, wie in Fig. 12 dargestellt, 500 mW pro Farbe variabel zwischen zwei Ausgängen schalten.
Fig. 13 zeigt eine Kaskade von faseroptischen Schaltern in einer Kollimationseinheit, die es ermöglicht, ausgewählte Linsen eines Kollimationslinsenfeldes auszuleuchten (foS: fiber optical switch, CLA: collimating lens array). Das Kollimationslinsenfeld CLA kann aus Zylinderlinsen oder auch aus Linsen mit quadratischer Apertur bestehen. Im Falle des Einsatzes von Zylinderlinsen sind die Lichtquellenbilder vor dem CLA in einer Richtung entsprechend aufzuweiten, um die Zylinderlinsen voll auszuleuchten. Zu diesem Zweck können auch passive Faser-Lichtaufteiler - beispielsweise im Verhältnis 1 zu 16 - verwendet werden. Die dargestellte Anordnung kann auch auf eine variable Aufspaltung des Lichts der primären Lichtquelle pLS in zwei Ebenen erweitert werden.
Fig. 14 zeigt eine passive Licht-Austrittsstelle am Ende eines lichtleitenden Multimode-Faser zum Ausleuchten vorgebbarer Linsen eines vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes. Die Linse L befindet sich beispielsweise vor dem ersten Mikrolinsenfeld fMLA aus Fig. 13. Unter Verwendung dieser Anordnung kann die Baulänge der in Fig. 13 dargestellten Kollimationseinheit erheblich verkürzt werden.
Die Anzahl primärer Lichtquellen sollte deshalb möglichst klein gehalten werden, weil eine Stabilisierung von mehreren Lasern auf eine gemeinsame Wellenlänge schwierig ist. Eine Möglichkeit zur Generierung einer gemeinsamen Wellenlänge besteht zwar in der Verwendung eines gekoppelten Resonators. Eine Primär-Lichtquelle pro Farbe ist jedoch die bevorzugte Ausführungsform.
Zur Minimierung der Absorptionsverluste durch Shutter bei scannenden Beleuchtungsvorrichtungen können neben faseroptischen Schaltern auch lichtbeugende Ablenkeinheiten, wie beispielsweise Flüssigkristall-Gitter verwendet werden, um ausgewählte Steifen einer Beleuchtungsvorrichtung zu beleuchten. Dies ist in Fig. 15 dargestellt, wo ausgewählte Segmente des ersten Mikrolinsenfeldes der Kollimationseinheit durch eine Kombination von zwei schaltbaren Beugungsgittern auf LC-Basis ausleuchtbar sind, die zwischen einer der Lichtquelle nachgeordneten primären Kollimationslinse und dem ersten Mikrolinsenfeld angeordnet sind. LC-Gitter ermöglichen die gleichzeitige Ausleuchtung auch mehrerer Streifen, d.h. auch von mehr als zwei Segmenten eines Kollimationslinsenfeldes. Die Intensität kann innerhalb eines Streifens auch lokal variiert werden.
Da die Scanning-Schritte diskret sind, können zur Minimierung der Absorptionsverluste bei scannenden Beleuchtungsvorrichtungen auch schaltbare PDLC-Volumengitter eingesetzt werden, um ausgewählte Segmente einer Beleuchtungsvorrichtung zu beleuchten.
Zudem sind auch Polarisationsgitter in Kombination mit schaltbaren Verzögerungsplatten, die die Polarisationsebene drehen, einsetzbar. Es kann auch ein Satz von mittels der Polarisation schaltbarer Polarisationsgitter verwendet werden, bei dem die Gitter in der +1-ten und in der -1-ten Beugungsordnung gleiche Intensitäten aufweisen.
Eine Minimierung der Absorptionsverluste kann auch durch den Einsatz von Winkelmultiplex- Volumengittern erfolgen. Da die Scanning-Schritte diskret und vorgebbar sind, kann auch ein Winkelmultiplex in Verbindung mit winkelselektiven Volumengittern eingesetzt werden, um eine scannende Beleuchtungsvorrichtung zu realisieren.
Das erste Beugungsgitter aus Fig. 15 ist schaltbar ausgebildet, und das zweite Beugungsgitter, das vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit angeordnet ist, ist z.B. in Form eines winkelselektiven Volu meng itters ausgebildet, wobei mit dem winkelselektiven Volumengitter die benötigten Ablenkwinkel für mindestens eine Lichtwellenlänge mittels einer fest eingeschriebenen Beugungsstruktur realisierbar sind.
Das erste Gitter aus Fig. 15 kann beispielsweise aber auch als schaltbarer PDLC-Gitterstapel ausgebildet sein, wobei das zweite Gitter aus Fig. 15, das sich vor dem ersten Mikrolinsenfeld der Kollimationseinheit befindet, als ein Volumengitter ausgebildet ist, welches die benötigten Ablenkgeometrien aufweist, die derart ausgebildet sind, dass das mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse der Anordnung unter einem zunehmend größeren Winkel auf das Gitter auftreffende Licht wieder in eine Richtung parallel zur optischen Achse gebeugt wird. Die Beugungsgeometrie kann auch ausschließlich räumlich gemultiplext sein. D.h. das zweite Gitter aus Fig. 15 kann einfach ein Volumengitter sein, welches beispielsweise zehn räumlich separierte Streifensegmente mit Beugungsgittern unterschiedlicher optischer Eigenschaften aufweist, welche das dort mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse mit zunehmend schrägem Winkel auftreffende Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge (RGB) parallel zur optischen Achse beugen. Dieses Gitter kann beispielsweise auch in der Mitte einen Streifen aufweisen, in den gar kein Volumengitter einbelichtet ist, so dass er das auftreffende Licht ungebeugt passieren lässt.
Neben Strahlengängen der Kollimationseinheit, die symmetrisch zur optischen Achse derselben verlaufen, wie das beispielsweise in Fig. 15 der Fall ist, können auch schräge Strahlengänge realisiert werden, deren Symmetrieachse in einem Winkel zur optischen Achse der Kollimationseinheit verläuft. In einem solchen off axis Aufbau ist die Intensität der 0-ten Beugungsordnung der im Aufbau verwendeten Gitter unproblematisch, da sie aus dem parallel zur optischen Achse verlaufenden Strahlengang herausgeführt wird.
Das beispielsweise in Fig. 15 dargestellte Prinzip ist auf ein 2D-Scanning erweiterbar, indem eine zweite gleichartige, um 90 0 verdrehte Anordnung von Gittern der ersten nachgeordnet wird. Zudem ist, gerade auch mit LC-Gittern, oder mit einer auf 2D-erweiterten Kollimationseinheit nach Fig. 13 ein local dimming möglich. Da faseroptische Schalter deutlich schneller schalten als LC-Gitter, haben Anordnungen, die bei der Verbindung von scanning und local dimming faseroptische Schalter verwenden, größere Reserven in der Schaltzeit.
Das in Fig. 15 gezeigte Ausführungsbeispiel, das es ermöglicht, mittels zweier Beugungsgitter G1 und G2 ausgewählte Bereiche eines Kollimationslinsenfeldes einer nachfolgend angeordneten Kollimationseinheit auszuleuchten, kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch anstelle der Kollimationseinheit des in Fig. 1 1 gezeigten Ausführungsbeispiels einer scannenden Beleuchtungsvorrichtung mit nachfolgender anamorphotischer Vergrößerung des am Ausgang der Kollimationseinheit vorliegenden Wellenfeldes eingesetzt werden. Dies ist in Fig. 16 dargestellt.
Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels einer scannenden Beleuchtungsvorrichtung liegt insbesondere in einer größeren Lichtausbeute, da zur Erzeugung der streifenförmigen Beleuchtungsbereiche kein lichtabsorbierender Shutter verwendet wird. Wie Fig. 16 zeigt, werden die von den beiden steuerbaren Beugungsgittern G1 und G2 erzeugten streifenförmigen Beleuchtungsbereiche von der nachfolgenden Vergrößerungseinheit, die aus den Beugungsgittern VG1 und VG2 besteht, direkt vergrößert. Die verwendeten Bezeichnungen der einzelnen Bauelemente entsprechen denen aus den Fig. 11 bzw. 15. Mit m1 bzw. m-1 sind dabei die erste bzw. die dazu symmetrisch entstehende minus erste Beugungsordnung des in Lichtrichtung ersten steuerbaren Beugungsgitters G1 bezeichnet, die nach dem zweiten Beugungsgitter G2 als streifenförmige Beleuchtungsbereiche t(x,y,RGB) für die drei Farben RGB wie in Fig. 11 dargestellt vorliegen und anschließend vergrößert werden.
Die hier dargestellten Scanning- und Dimming-Lösungen von Beleuchtungsvorrichtungen, die einen effizienten Umgang mit der Energie der primären Laser-Lichtquelle ermöglichen, sind allerdings nur Beispiele für eine weit größere Palette von Möglichkeiten.
Lichtbeugende Volumengitter lassen sich aber auch einsetzen, um in vorteilhafter Weise neben der Lichtablenkung eine Filterung des Planwellenspektrums der Beleuchtung zu erreichen, wie sie beispielsweise bei autostereoskopischen 3D-Diplays und bei holografischen 3D-Displays erforderlich ist, die die Einhaltung einer bestimmten Winkeltoleranz des Planwellenspektrums erfordern.
Ausgangspunkt ist hier eine ausgeleuchtete Fläche in Display-Größe, welche beispielsweise die Austrittsfläche einer scannenden Beleuchtungsvorrichtung ist. Die Lichtquelle kann beispielsweise aus einer Faser-Matrix bestehen, die Auskoppelstellen für sekundäre Lichtquellen aufweist. Die Faser-Matrix und/oder die Auskoppelstellen können derart ausgeführt werden, dass der Austritt von Licht steuerbar ist, so dass zumindest zwei Bereiche vorliegen, die ein- und ausgeschaltet werden können. Der Übergang zwischen den Bereichen kann auch im Sinne eines zeitlich fließenden Intensitätsüberganges gestaltet werden, der die Wahrnehmung eines Flackerns durch den Nutzer vermeidet.
Die aus der Fasermatrix austretenden Lichtstrahlen werden von einem primären Linsenfeld kollimiert. Die Auskoppelstellen der Fasermatrix werden in ihrer lateralen Ausdehnung derart an die Kollimationslinsen des Linsenfeldes angepasst, dass nach Durchgang durch die Linsen beispielsweise in einer Richtung ein Planwellenspektrum von 1/20 0 deg und in der orthogonalen Richtung ein Planwellenspektrum von ca. 1 0 deg vorliegt. Dies bedeutet, dass bei gleicher numerischer Apertur der Linsen in den betrachteten Richtungen die einzelne sekundäre Lichtquelle 20 mal so breit wie hoch ist. Die sekundären Lichtquellen der Faser-Matrix sind demzufolge stäbchenförmig.
In Fig. 17 ist der Eingangsteil einer solchen Beleuchtungsvorrichtung dargestellt, die als scannende Beleuchtungsvorrichtung arbeitet. Dabei wird das Licht einer primären Lichtquelle PLQ auf unterschiedliche schaltbare Pfade aufgeteilt, so dass die sekundären Lichtquellen SLQ zumindest in Gruppen schaltbar sind. Hinter dem Linsenfeld L treten Segmente kollimierten Lichtes aus, wobei das Planwellenspektrum dieser Segmente durch die Größe der sekundären Lichtquellen bestimmt wird. Das gewünschte Ziel-Planwellenspektrum wird jedoch durch Beugung an den Kanten der Linsen des nachfolgenden Kollimationslinsenfeldes verbreitert. Bei Abmessungen einzelner Kollimationslinsen des Linsenfeldes im Bereich von 3 mm x 3 mm bis 5 mm x 5 mm kann dies unter Umständen - neben der unerwünschten Beugungsverbreiterung des gewünschten Planwellenspektrums - auch auf dem mit dieser Beleuchtungsvorrichtung beleuchteten Display als Intensitätsmodulation wahrgenommen werden.
Eine Lösung des Problems besteht in der Winkelfilterung des Wellenfeldes, welches hinter dem das Licht der sekundären Lichtquellen kollimierenden Linsenfeld vorliegt. Dies kann dadurch erfolgen, dass zur Vermeidung der Verbreiterung des Planwellenspektrums durch Beugung an Linsenrändern des primären Kollimationslinsenfeldes diesem in Lichtrichtung eine Kombination von zwei Volumengittern zur Winkelfilterung nachgeordnet ist, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist. Das erste Volumengitter VG1 ist dabei dünn (z.B. Dicke d < 10 μιτι) ausgeführt und weist somit eine breite Winkel- und Wellenlängenselektivität auf.„Breit" bedeutet dabei, dass das Volumengitter Planwellen in einem größeren Winkelbereich beugt. Bei einer in Kunststoff oder Glas vorliegenden Rekonstruktionsgeometrie des ersten Volumengitters VG1 von beispielsweise 0° deg / -45 0 deg wird ein Winkelspektrum der Planwellen von beispielsweise +- 4 0 deg in einen Winkel, der in Folge einem Winkel der Totalreflexion entspricht, gebeugt.
Das zweite Volumengitter VG2 ist dick ausgeführt, d.h. Dicke d > 200 μιτι. Es weist in Kunststoff oder Glas eine Rekonstruktionsgeometrie von beispielsweise -45° deg / 0 0 deg auf. Die Dicke dieses Gitters bedingt eine schmale Winkelselektivität, die derart ausgebildet ist, dass nur die im Bereich des vorgegebenen Planwellenspektrums auftreffenden Lichtstrahlen in Richtung der optischen Achse der Anordnung gebeugt werden und die außerhalb des Planwellenspektrums sich ausbreitenden Lichtstrahlen ungebeugt durchgelassen werden. Dadurch wird der größte Teil des durch Beugung an den Linsenrändern verbreiterten Planwellenspektrums aus dem nutzbaren Strahlengang herausgeführt. Nach dem zweiten Volumengitter VG2 liegt das Planwellenspektrum somit in der vorgegebenen Form vor.
Auf diese Weise lässt sich eine Direktsicht-Beleuchtungsvorrichtung, welche zumindest in einer Richtung ein auf < 1/20 0 deg eingeschränktes Planwellenspektrum aufweist, auch mit einem kollimierenden Linsenfeld anstelle einer einzelnen großflächigen Kollimationslinse erzeugen. Diese hier dargestellte Direkt-Sicht-Beleuchtungsvorrichtung kann beispielsweise für holografische 3D- Displays, welche mit einer eindimensionalen holografischen Kodierung arbeiten, verwendet werden.
Bei einer zweidimensionalen holografischen Kodierung kann der Vorgang der Winkelfilterung nach der hier vorgestellten Vorgehensweise ein zweites Mal erfolgen, wobei zur Winkelfilterung des Planwellenspektrums in zwei orthogonalen Richtungen eine zweite, um 90 0 deg gegenüber der ersten verdrehte Kombination von Volumengittern der ersten nachgeordnet ist, um in zwei Richtungen das gewünschte Planwellenspektrum von beispielsweise < 1/20 0 deg zu realisieren.
Die für transmissive Lichtmodulatoren beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen (BLU - backlight unit) lassen sich auch für die Beleuchtung von reflektiven Lichtmodulatoren modifizieren (FLU - front light unit). Ein Problem ist dabei die Trennung des Lichts, das den reflektiven Lichtmodulator beleuchtet, von dem von ihm reflektierten und modulierten Licht.
Eine erste Möglichkeit besteht in der polarisationsmäßigen Trennung des Lichts, mit dem der reflektive Lichtmodulator beleuchtet wird, von dem von ihm reflektierten und modulierten Licht. So kann z.B. die in Fig. 1 1 dargestellte Beleuchtungsvorrichtung durch eine Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/4- Platte, ergänzt werden, die in Lichtrichtung dem flächenhaften Volumengitter nachgeordnet ist (nicht dargestellt). Wenn auf eine λ/4-Platte z.B. in horizontaler Richtung linear polarisiertes Licht fällt, so verlässt es die Platte mit einer zirkulären Polarisation. Ein nachfolgender reflektierender Lichtmodulator (nicht dargestellt) reflektiert das modulierte zirkulär polarisierte Licht dann wieder in Richtung der λ/4-Platte, und nach Durchgang durch dieselbe ist es dann vertikal polarisiert. Dieses vertikal polarisierte Licht kann das Volumengitter nun ungehindert passieren und kann von einem in Lichtrichtung vor dem Volumengitter befindlichen Betrachter (nicht dargestellt) wahrgenommen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Trennung des Beleuchtungslichts von dem reflektierten und modulierten Licht besteht in der Nutzung der Winkelselektivität eines lichtablenkenden Elements, beispielsweise eines Volumen-Beugungsgitters. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 18a dargestellt. Sie zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung (FLU: front light unit) für einen reflektiven Lichtmodulator, wobei eine Kaskade faseroptischer Schalter auswählbare Parabolspiegel einer Parabolspiegelzeile (CPMA: collimating parabolic mirror array) ausleuchtet. Das von den Parabolspiegeln kollimierte Licht wird mit Hilfe eines Volu meng itters (cVG: coupling volume grating) in einen planaren Lichtleiter (pWG: planar wave guide) eingekoppelt und über die gesamte Fläche verteilt.
Wird beispielsweise ein Transmissions-Volumengitter ausreichender Dicke und eine ausreichend schräge Beleuchtung des Lichtmodulators verwendet, d.h. beispielsweise 5 0 deg, so liegt beim Rückweg vom reflektierenden Lichtmodulator eine Off-Bragg-Beleuchtung des Volu meng itters und somit keine beugende Funktion dieses zur Beleuchtung des Lichtmodulators verwendeten Volu meng itters vor. Auf diese Weise können die Strahlengänge zum Lichtmodulator und vom Lichtmodulator getrennt werden. Diese Vorgehensweise kommt ohne die in Fig. 18a dargestellte λ/4 Platte, die beispielsweise apochromatisch ausgelegt sein kann, aus. Diese wäre nur dann erforderlich, wenn die Trennung des Beleuchtungslichts vom durch den Lichtmodulator reflektierten und modulierten Licht durch die unterschiedliche Polarisation erfolgen würde.
In Fig. 18b sind weitere Ausführungsbeispiele für zellenförmige Kollimationseinheiten zur Einkopplung des Lichts über Volumengitter in planare Wellenleiter gem. Fig. 18a maßstäblich dargestellt. Die Abkürzungen bedeuten in den einzelnen Varianten:
FLU: front light unit
LCU: light collimation unit
Variante B: L: lens, klassische Kollimation (wie oben dargestellt)
Variante C: PM: parabolic mirror (Variante mit geringster Baulänge)
Variante D: oaPM: off axis parabolic mirror
Variante E: oaPMP: off axis parabolic mirror prism. Am unteren Ende des planaren Wellenleiters der Beleuchtungsvorrichtung für reflektive Lichtmodulatoren befindet sich jeweils ein Einkoppel-Volumen-Gitter, welches eine auftreffende Planwelle in den Wellenleiterkern einkoppelt. Bei ausreichender Dicke ist die Winkelselektivität ausreichend schmal, so dass eine dieses Volumengitter durchleuchtende sphärische Lichtwelle nahezu ungebeugt transmittiert wird. Dies kann verwendet werden, um die Abmessung der Kollimationseinheit zu verringern. Dies ist in Fig. 18a in der Ansicht von links dargestellt, wobei hinter dem Einkoppelgitter eine Parabolspiegel-Zeile angeordnet ist, welche dazu verwendet wird, die aus der Zeile der Faser-Enden als sekundäre Lichtquellen austretenden sphärischen Wellen zu kollimieren. Das Einkoppel-Volumengitter ist so ausgelegt, dass die Planwellen, welche von den Parabolspiegeln zurück reflektiert werden, in den planaren Wellenleiter eingekoppelt werden. Dies ist auch in Fig. 18b in Ausführungsbeispiel C dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel beansprucht die geringste Baulänge.
Die übrigen Ausführungsbeispiele erfordern mehr Platz und beziehen sich auf die klassische Kollimation mittels einer Linse (Variante B) und auf die Kollimation mittels eines außeraxial angeordneten Parabolspiegels (Variante D) bzw. eines mit einem Parabolspiegel gekoppelten Prismas (Variante E). Das in Variante E dargestellte off axis parabolic mirror prism fungiert gleichzeitig als Kollimator und als Einkoppelprisma, so dass kein Volumengitter zur Einkopplung des Lichts in den planaren Wellenleiter benötigt wird. Die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann im weitesten Sinne zur Realisierung großflächiger Displays mit geringer Bautiefe, sowohl mit holografischer, als auch stereoskopischer bzw. gemischter Bilderzeugung, verwendet werden.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Patentansprüche
1. Holografisches Display mit einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Vergrößerungseinheit (VE) und einem Lichtmodulator (SLM), wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine Lichtquelle und eine Kollimationseinheit (LCU) aufweist, wobei die Kollimationseinheit (LCU) so ausgebildet ist, dass sie das Licht der mindestens einen Lichtquelle kollimiert und ein Lichtwellenfeld des Lichts der Lichtquelle mit einem vorgebbaren Planwellenspektrum erzeugt, wobei die Vergrößerungseinheit (VE) in Lichtausbreitungsrichtung der Kollimationseinheit (LCU) nachgeordnet ist, wobei die Vergrößerungseinheit (VE) ein transmissives Volumenhologramm (VH) aufweist, welches derart angeordnet und ausgebildet ist, dass aufgrund einer transmissiven Wechselwirkung des
Lichtwellenfeldes mit dem Volumenhologramm (VH) eine anamorphotische Aufweitung des Lichtwellenfeldes realisierbar ist, und wobei der Lichtmodulator (SLM) in Lichtausbreitungsrichtung entweder vor oder hinter der anamorphotischen Vergrößerungseinheit (VE) angeordnet ist. 2. Holografisches Display nach Anspruch 1 , wobei das Lichtwellenfeld von der Kollimationseinheit (LCU) in einem vorgebbaren Einfallswinkel auf das Volumenhologramm (VH) auftrifft, welcher den Wert von 70 Grad nicht unterschreitet.
Holografisches Display nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Dicke des Volumenhologramms (VH) so gewählt ist, dass das Lichtwellenfeld eine Winkelverteilung von Wellenvektoren aufweist und dass die maximal auftretende Abweichung der Winkelverteilung der Wellenvektoren des Lichtwellenfeldes in mindestens einer Richtung einen Wert von 1/20 Grad nicht überschreitet.
Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der optische Weglängenunterschied z(x, y) der Lichtstrahlen des vergrößerten Lichtwellenfeldes (sWF) zwischen zwei vorgegebenen Punkten am Lichtmodulator auf der Kodierfläche des Lichtmodulators (SLM) bei einer vorgegebenen Kohärenzlänge des Lichts einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Holografisches Display nach Anspruch 1 , wobei die Vergrößerungseinheit (VE) ein dem Volumenhologramm (VH1 ) in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordnetes weiteres Volumenhologramm (VH2) aufweist und wobei die Volumenhologramme (VH1 , VH2) der Vergrößerungseinheit (VE) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass das Licht in zwei unterschiedliche Richtungen ablenkbar ist, wobei der Lichtmodulator (SLM) in Lichtausbreitungsrichtung vor oder nach dem weiteren Volumenhologramm (VH2) angeordnet ist.
Holografisches Display nach Anspruch 5, wobei der Kollimationseinheit (LCU) in Lichtausbreitungsrichtung zwei Volumenhologramme (VH1 , VH2) so nachgeordnet sind, dass sie das Lichtwellenfeld mit vorgegebenem Planwellenspektrum in zwei im wesentlichen zueinander senkrechten Richtungen anamorphotisch aufweiten.
7. Holografisches Display nach Anspruch 5 und Anspruch 6, wobei das Volumenhologramm (VH) ein off- axis Volumenhologramm ist.
8. Holografisches Display nach Anspruch 1 , wobei die Lichtquelle einen Laser, eine Laserdiode, eine LED oder eine OLED aufweist.
9. Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zum Zusammenführen des Lichts der mindestens einen Lichtquelle in eine gemeinsame lichtleitende Faser (OF) eine Strahlvereinigungseinheit vorgesehen ist.
10. Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kollimationseinheit (LCU) eine primäre Kollimationslinse (pCL) aufweist.
11. Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der primären Kollimationslinse (pCL) in Lichtausbreitungsrichtung ein Winkelfilter in Form eines Volumenhologramms (VH) nachgeordnet ist, dessen Dicke so gewählt ist, dass das Lichtwellenfeld eine Winkelverteilung von Wellenvektoren aufweist und dass die maximal auftretende Abweichung der Winkelverteilung der Wellenvektoren des Lichtwellenfeldes in mindestens einer Richtung einen Wert von 1/20 Grad nicht überschreitet.
12. Holografisches Display nach Anspruch 10, wobei die Kollimationseinheit (LCU) ein erstes Mikrolinsenfeld (fMLA) aufweist, welches mit einem kollimierten Lichtwellenfeld beleuchtet wird.
13. Holografisches Display nach Anspruch 12, wobei in einer Brennebene des ersten Mikrolinsenfeldes (fMLA) eine Streuvorrichtung (sPS) angeordnet ist, von der das Licht auf ein unmittelbar danach angeordnetes erstes Blendenfeld (AS) gelangt.
14. Holografisches Display nach Anspruch 13, wobei die Blendenöffnungen des ersten Blendenfeldes (AS) in ihrer lateralen Ausdehnung asymmetrisch ausgebildet sind, um bezüglich der jeweiligen lateralen Ausdehnung ein Planwellenspektrum des Lichtwellenfeldes mit vorgebbaren
Kohärenzeigenschaften zu erzeugen.
15. Holografisches Display nach Anspruch 14, wobei die Blendenöffnungen des ersten Blendenfeldes (AS) der Kollimationseinheit (LCU) so dimensioniert sind, dass sich die Kohärenzeigenschaften des Lichtwellenfeldes in zwei unterschiedlichen Richtungen so unterscheiden, dass die Strahlung in der einen Richtung inkohärent und in der anderen Richtung hinreichend kohärent ist.
16. Holografisches Display nach Anspruch 13, wobei in Lichtausbreitungsrichtung hinter dem ersten Blendenfeld (AS) ein zweites Mikrolinsenfeld (cMLA) so angeordnet ist, dass sich die Blendenöffnungen des ersten Blendenfeldes jeweils in den hinteren Brennpunkten der zugeordneten
Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenfelds (cMLA) befinden.
17. Holografisches Display nach Anspruch 16, wobei zwischen dem ersten Blendenfeld (AS) und dem zweiten Mikrolinsenfeld (cMLA) zwei weitere Blendenfelder (AS 1+2) angeordnet sind.
18. Holografisches Display nach Anspruch 16, wobei das zweite Mikrolinsenfeld (cMLA) ein segmentiertes Lichtwellenfeld mit einem Planwellenspektrum erzeugt, mit dem ein nachfolgender Lichtmodulator (SLM) mit einer holografischen Kodierung entweder direkt oder nach lateraler Vergrößerung des Lichtwellenfeldes beleuchtet wird.
19. Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Lichtmodulator (SLM) transmissiv, reflektiv oder transflektiv ausgebildet ist und/oder wobei die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgebildet und dimensioniert ist, dass mit der Beleuchtungsvorrichtung die aktive Fläche des Lichtmodulators (SLM) im wesentlichen homogen beleuchtet wird.
20. Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei zum Erzeugen eines vorgebbaren Planwellenspektrums des Lichtwellenfeldes nach dem mindestens einen Volumenhologramm (VH) mindestens ein Parameter der Kollimationseinheit (LCU) veränderbar ist.
21. Holografisches Display nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das mindestens eine Volumenhologramm (VH) derart ausgebildet ist, dass für einen Betrachter des holografischen Displays störende Strahlungsanteile bzw. Beugungsordnungen unterdrückt werden.
22. Holografisches Display nach Anspruch 5, wobei eines der Volumenhologramme (VH1 , VH2) so eingerichtet ist, dass es neben der Vergrößerungsfunktion auch die Funktion einer Feldlinse aufweist.
23 Holografisches Display nach Anspruch 1 , wobei die Kollimationseinheit (LCU) eine zeilenförmige Struktur aufweist, wobei eine Zeile mindestens zwei unabhängig voneinander schaltbare Lichtquellen (LS) und am Ausgang mindestens zwei kollimierende refraktive Linsen (CL) aufweist, und wobei diese Zeilen entlang einer Kante einer nachfolgenden flächenhaften Vergrößerungseinheit (VE) so nebeneinander angeordnet sind, dass sie die Fläche derselben ausleuchten.
24 Holografisches Display nach Anspruch 23, wobei zur Beleuchtung einer flächenhaften Vergrößerungseinheit (VE) in Form eines Volum eng itters (VG) eine keilförmige Lichtleiteinrichtung (LE) vorgesehen ist, wobei das Volumengitter (VG) auf die auf der Lichteintrittsfläche im wesentlichen senkrecht stehende Seite der keilförmigen Lichtleiteinrichtung (LE) aufgebracht ist, durch welches das von der Kollimationseinheit (LCU) ausgehende segmentierte Planwellenfeld vergrößerbar und auf die Fläche eines nachfolgenden Lichtmodulators (SLM) ausrichtbar ist.
25. Holografisches Display nach Anspruch 23, wobei entsprechend der Anzahl der nebeneinander angeordneten Zeilen der Kollimationseinheit (LCU) und der Anzahl der in jeder Zeile unabhängig voneinander schaltbaren Lichtquellen (LS) die dadurch gebildete Beleuchtungsvorrichtung eine Matrix von unabhängig schaltbaren Beleuchtungssegmenten aufweist.
26. Holografisches Display nach Anspruch 12, wobei in Lichtausbreitungsrichtung vor dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) ein Shutter (saS) angeordnet ist, wobei die Transparenz mehrerer in vertikaler oder horizontaler Richtung verlaufender streifenförmiger Segmente steuerbar ist.
27. Holografisches Display nach Anspruch 26, wobei jeweils zwei in der Ebene des Lichtmodulators (SLM) vertikal verlaufende Streifensegmente des Beleuchtungslichts aufgeschaltet sind, die zeitsequentiell in horizontaler oder vertikaler Richtung zwischen dem Rand des Lichtmodulators (SLM) und der Mitte desselben bewegbar sind.
28. Holografisches Display nach Anspruch 12, wobei ausgewählte Linsen eines vor dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes (CLA) durch eine Kaskade mittels faseroptischer Schalter (foS) schaltbarer faseroptischer Lichtquellen ausleuchtbar sind.
29. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei zum Ausleuchten vorgebbarer Linsen eines vor dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes (CLA) passive Licht-Austrittsstellen am Ende von lichtleitenden Multimode- Fasern vorgesehen sind.
30. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei ausgewählte Segmente des ersten Mikrolinsenfeldes (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) durch eine Kombination von zwei schaltbaren Beugungsgittern (G1 , G2) auf LC-Basis ausleuchtbar sind, die zwischen einer der Lichtquelle nachgeordneten primären Kollimationslinse (CL) und dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) angeordnet sind, wobei die Intensität der streifenförmigen Segmente lokal variierbar sein könnte.
31. Holografisches Display nach Anspruch 30, wobei die Kombination von zwei schaltbaren Beugungsgittern (G1 , G2) auf LC-Basis zwischen einer der Lichtquelle nachgeordneten primären Kollimationslinse (CL) und dem Eingang der anamorphotischen Vergrößerungseinheit (VE) angeordnet ist und zwei scannende streifenförmige Beleuchtungsbereiche erzeugt, die von der Vergrößerungseinheit (VE) direkt vergrößert werden.
32. Holografisches Display nach Anspruch 30, wobei die schaltbaren Beugungsgitter (G1 , G2) PDLC- Volumengitter oder Polarisationsgitter in Kombination mit schaltbaren Verzögerungsplatten sind.
33. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei ausgewählte Segmente des ersten Mikrolinsenfeldes (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) durch eine Kombination von zwei Beugungsgittern (G1 , G2) ausleuchtbar sind, wobei das erste Beugungsgitter (G1 ) schaltbar ausgebildet ist und wobei das zweite Beugungsgitter (G2) vor dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) angeordnet ist und in Form eines winkelselektiven Volumengitters ausgebildet ist, wobei mit dem winkelselektiven Volumengitter die benötigten Ablenkwinkel für mindestens eine Lichtwellenlänge mittels einer fest eingeschriebenen Beugungsstruktur realisierbar sind.
34. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei ausgewählte Segmente des ersten Mikrolinsenfeldes (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) durch eine Kombination von zwei Beugungsgittern (G1 , G2) ausleuchtbar sind, wobei das das erste Beugungsgitter (G1 ) schaltbar ausgebildet ist und wobei das zweite Beugungsgitter (g2) vor dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) angeordnet ist und in Form eines Volumengitters ausgebildet ist, wobei das Volumengitter mehrere
Streifensegmente aufweist, welche derart ausgebildet sind, dass das mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse der Anordnung unter einem zunehmend größeren Winkel auf die Streifensegmente auftreffende Licht in eine Richtung parallel zur optischen Achse gebeugt wird.
35. Holografisches Display nach Anspruch 30, wobei die Beugungsgitter (G1 , G2), die zwischen der primären Kollimationslinse (CL) der Lichtquelle und dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) angeordnet sind, derart ausgebildet sind, dass auch off axis Strahlengänge realisierbar sind, um die nullte Beugungsordnung der Gitter (G1 , G2) aus dem nutzbaren Strahlengang zu eliminieren.
36. Holografisches Display nach Anspruch 30, wobei die Beugungsgitter (G1 , G2), die zwischen der primären Kollimationslinse (CL) der Lichtquelle und dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) angeordnet sind, derart ausgebildet sind, dass eine Ausleuchtung mehrerer Flächenbereiche des ersten Mikrolinsenfeldes (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) in horizontaler und vertikaler Richtung realisierbar ist.
37. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei die Linsen des vor dem ersten Mikrolinsenfeld (fMLA) der Kollimationseinheit (LCU) angeordneten primären Kollimationslinsenfeldes (pCLA) mit segmentierten Planwellen beleuchtet werden, deren Planwellenspektrum in einer Richtung eine Winkelabweichung von ca. 1/20 0 deg und in der dazu orthogonalen Richtung von ca. 1 0 deg aufweist.
38. Holografisches Display nach Anspruch 36, wobei zur Vermeidung der Verbreiterung des Planwellenspektrums durch Beugung an Linsenrändern des primären Kollimationslinsenfeldes (pCLA) diesem in Lichtrichtung eine Kombination von zwei Volumengittern (VG1 , VG2) zur Winkelfilterung nachgeordnet ist.
39. Holografisches Display nach Anspruch 37, wobei die Kombination von Volumengittern (VG1 , VG2) zur Winkelfilterung des Planwellenspektrums ein erstes dünnes Volumengitter (VG1 ) mit einer breiten Winkelselektivität und einem großen, von der optischen Achse abweichenden Beugungswinkel und ein zweites dickes Volumengitter (VG2) mit einer schmalen Winkelselektivität aufweist, das derart ausgebildet ist, dass die im Bereich des vorgegebenen Planwellenspektrums auftreffenden Lichtstrahlen in Richtung der optischen Achse der Anordnung gebeugt werden und die außerhalb des Planwellenspektrums sich ausbreitenden Lichtstrahlen ungebeugt durchgelassen werden.
40. Holografisches Display nach Anspruch 38, wobei zur Realisierung der Winkelfilterung des Planwellenspektrums in zwei orthogonalen Richtungen eine zweite, um 90 0 deg gegenüber der ersten Kombination von Volumengittern (VG1 , VG2) verdrehte Kombination von Volumengittern der ersten nachgeordnet ist.
41. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei der Lichtmodulator (SLM) reflektiv oder transflektiv ausgebildet ist und/oder wobei die Beleuchtungsvorrichtung (FLU) derart ausgebildet und durch den Polarisationszustand des Lichts modifizierende Bauelemente ergänzt ist, dass mit der Beleuchtungsvorrichtung (FLU) die aktive Fläche des reflektiven oder transflektiven Lichtmodulators (SLM) mit Licht einer vorgebbaren Polarisation beleuchtet wird.
42. Holografisches Display nach Anspruch 28, wobei der Lichtmodulator (SLM) reflektiv oder transflektiv ausgebildet ist und/oder wobei die Beleuchtungsvorrichtung (FLU) derart ausgebildet und durch planare Wellenleiter (pWG) in Verbindung mit winkelselektiven Ablenkelementen ergänzt ist, dass die lichtbeugende Funktion des Ablenkelements nur bei der Einkopplung des Lichts in den Wellenleiter und bei der Auskopplung des Lichts zur Beleuchtung des Lichtmodulators (SLM) wirksam wird, nicht aber beim Durchgang des vom Lichtmodulator (SLM) reflektierten und modulierten Lichts.
43. Holografisches Display nach Anspruch 41 , wobei der Lichtmodulator (SLM) reflektiv oder transflektiv ausgebildet ist und/oder wobei die Beleuchtungsvorrichtung (FLU) derart ausgebildet und durch zellenförmige Kollimationseinheiten (LCU) ergänzt ist, die das von einer zellenförmigen Anordnung schaltbarer sekundärer Lichtquellen ausgehende Licht kollimieren und entweder über winkelselektive Ablenkelemente oder direkt in einen planaren Wellenleiter (pWG) einkoppeln.
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